JP2006147845A - Semiconductor apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体装置に関し、特に高速性と低電力性の両立および広範な電源電圧への対応を可能にする技術である。
The present invention relates to a semiconductor device, and in particular, is a technology that enables both high speed and low power and compatibility with a wide range of power supply voltages.
近年、CMOS LSI(Complementary Metal Oxide Semiconductor Large Scale Integrated Circuits)の大規模化に伴い、CMOS LSIを構成するMOSFETは小型化し、電源電圧は低下している。電源電圧の低下に伴い、MOSFETのゲートのしきい値電圧も低下している。CMOS LSIでは、しきい値電圧は電源電圧の5〜6分の1程度にすることが多い。例えば、電源電圧(VDD)が5Vのときは、PチャネルMOSFETのしきい値電圧(VTP)は−0.9V程度、NチャネルMOSFETのしきい値電圧(VTN)は0.9V程度である。電源電圧が2.5Vに低下すると、VTPは−0.5V程度、VTNは0.5V程度になる。二つのMOSFETのしきい値電圧VTP、VTNを電源電圧VDDにほぼ比例して下げるのは、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor, 相補形MOS)回路の速度、消費電力そして回路の安定動作のかね合いを考慮してのことである。 In recent years, with the expansion of CMOS LSI (Complementary Metal Oxide Semiconductor Large Scale Integrated Circuits), MOSFETs constituting the CMOS LSI have become smaller and the power supply voltage has decreased. As the power supply voltage decreases, the threshold voltage of the MOSFET gate also decreases. In a CMOS LSI, the threshold voltage is often about 5 to 1/6 of the power supply voltage. For example, when the power supply voltage (V DD ) is 5 V, the threshold voltage (V TP ) of the P-channel MOSFET is about −0.9 V, and the threshold voltage (V TN ) of the N-channel MOSFET is about 0.9 V. . When the power supply voltage drops to 2.5V, V TP is approximately -0.5 V, V TN is approximately 0.5V. The threshold voltages V TP and V TN of the two MOSFETs are reduced almost in proportion to the power supply voltage V DD because of the speed, power consumption, and stable operation of the CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) circuit. It ’s a trade-off.
PチャネルMOSFETではゲートに印加される電圧が0からVDD+VTPまでは導通、それ以外は非導通、NチャネルMOSFETではゲートに印加される電圧がVTNからVDDまでは導通、それ以外は非導通である。これらのMOSFETにおいて導通の範囲を広げれば、CMOS回路に大きな電流が流れ、回路は高速に動作するが、消費電力は増える。逆に、非導通の範囲が広ければ、CMOS回路に流れる電流は小さくなり、回路の動作は遅くなるが、消費電力は少なく抑えられる。また、MOSFETの非導通の範囲を広く取ることにより、MOSFETの導通、非導通における抵抗の違いを極端に大きくすることができ、回路が安定に動作するようになる。 In the P-channel MOSFET, the voltage applied to the gate is conductive from 0 to V DD + V TP , otherwise it is non-conductive, in the N-channel MOSFET, the voltage applied to the gate is conductive from V TN to V DD , otherwise Non-conducting. If the range of conduction in these MOSFETs is expanded, a large current flows through the CMOS circuit and the circuit operates at high speed, but the power consumption increases. On the contrary, if the non-conduction range is wide, the current flowing through the CMOS circuit becomes small and the operation of the circuit becomes slow, but the power consumption can be reduced. Also, by taking a wide range of MOSFET non-conduction, the difference in resistance between MOSFET conduction and non-conduction can be made extremely large, and the circuit can operate stably.
CMOS回路を構成するPチャネルMOSFETとNチャネルMOSFETのしきい値電圧を制御して、CMOS回路の高速・低電力化をはかる技術としては、MTCMOS(Multi-Threshold Voltage
CMOS)とVTCMOS(Variable Threshold Voltage CMOS)が知られている。
MTCMOS (Multi-Threshold Voltage) is a technology for controlling the threshold voltage of P-channel MOSFETs and N-channel MOSFETs that make up CMOS circuits to reduce the speed and power consumption of CMOS circuits.
CMOS) and VTCMOS (Variable Threshold Voltage CMOS) are known.
MTCMOSでは、回路の高速動作が要求される部分では低いしきい値電圧を用い、高速動作が求されない部分や待機時に用いられる部分では高いしきい値電圧を用いる。すなわち、MTCMOSは、回路の場所場所で異なった値のしきい値電圧を設定する方法である。MTCMOSについては、非特許文献1に記載されている。
In MTCMOS, a low threshold voltage is used in a portion where high speed operation of a circuit is required, and a high threshold voltage is used in a portion where high speed operation is not required or a portion used during standby. That is, MTCMOS is a method of setting different threshold voltages at circuit locations. MTCMOS is described in Non-Patent
VTCMOSは、回路が通常の動作状態にあれば回路の高速性より消費電力を重視してしきい値電圧を低くし、回路が待機状態にあれば消費電力の方を重視してしきい値電圧を高くする。しきい値電圧を変える方法としては、PチャネルMOSFETあるいはNチャネルMOSFETが作られる基板領域に電圧を印加する。すなわち、MOSFETの基板バイアス効果を利用して外部からしきい値電圧を制御する方法である。この場合、基板領域に印加する電圧(基板バイアス電圧)は、回路が動作状態にある期間、あるいは待機状態にある期間は一定であるので、それぞれの期間内ではしきい値電圧は一定である。VTCMOSについては、非特許文献2に記載されている。
CMOS LSIの中でもっとも頻繁に使われる基本的な回路、CMOSインバータを例に取り、動作速度と消費電力について説明する。図2にCMOSインバータの回路を示す。正の電源VDD側(図2の上側)のMOSFETがPチャネルMOSFETで、接地側(図2の下側)のMOSFETがNチャネルMOSFETである。入力信号は二つのMOSFETのゲート電極に加えられ、出力信号は二つのMOSFETのドレイン電極を接続した節点から取り出される。この出力端子には容量が接続されているが、これは、このCMOSインバータの出力に繋がる負荷(すなわち、次段のCMOS回路の入力容量)を表している。PチャネルMOSFETの基板は正の電源側に接続されている。NチャネルMOSFETの基板は接地側に接続されている。電源電圧VDD=3.5Vを使用し、PチャネルMOSFETのしきい値電圧VTP=−0.6V、NチャネルMOSFETのしきい値電圧VTN=0.6Vの場合について、このCMOSインバータの基本的な動作を説明する。入力信号の電圧はゼロから正の電源電圧(VDD=3.5V)の範囲でパルス状に変化する。 Taking the CMOS inverter as an example, the most frequently used basic circuit in CMOS LSIs, the operating speed and power consumption will be explained. FIG. 2 shows a CMOS inverter circuit. The MOSFET on the positive power supply V DD side (upper side in FIG. 2) is a P-channel MOSFET, and the MOSFET on the ground side (lower side in FIG. 2) is an N-channel MOSFET. The input signal is applied to the gate electrodes of the two MOSFETs, and the output signal is extracted from the node connecting the drain electrodes of the two MOSFETs. A capacitor is connected to the output terminal, which represents a load (that is, an input capacitor of the CMOS circuit at the next stage) connected to the output of the CMOS inverter. The substrate of the P-channel MOSFET is connected to the positive power supply side. The substrate of the N-channel MOSFET is connected to the ground side. When the power supply voltage V DD = 3.5V is used, the threshold voltage V TP = −0.6V of the P-channel MOSFET, and the threshold voltage V TN = 0.6V of the N-channel MOSFET, The operation will be described. The voltage of the input signal changes in a pulse form in the range from zero to the positive power supply voltage (V DD = 3.5V).
入力信号がゼロ電圧の時は、NチャネルMOSFETは非導通、PチャネルMOSFETは導通状態となり、出力端子の電圧は高い電圧(VDD=3.5V)となる。入力信号が上がって高い電圧(VDD=3.5V)になると、NチャネルMOSFETは導通、PチャネルMOSFETは非導通となり、出力端子の電圧はゼロ電圧となる。入力信号がゼロ電圧あるいはVDDのいずれの状態においても、PチャネルMOSFETとNチャネルMOSFETのいずれかが非導通状態にあり、電源側から接地側に流れる電流が無く、CMOSが消費電力の点で優れた回路である。また、入力信号がゼロ電圧からVDDへ変化する間、あるいはVDDからゼロ電圧へ変化する間に、PチャネルMOSFETとNチャネルMOSFETの両方が導通状態になる期間があり、この期間に電源側から接地側に電流が流れる。この電流が貫通電流と呼ばれる。 When the input signal is zero voltage, the N-channel MOSFET is non-conductive, the P-channel MOSFET is conductive, and the output terminal voltage is high (V DD = 3.5V). When the input signal rises to a high voltage (V DD = 3.5V), the N-channel MOSFET becomes conductive and the P-channel MOSFET becomes non-conductive, and the voltage at the output terminal becomes zero voltage. Regardless of whether the input signal is at zero voltage or V DD , either the P-channel MOSFET or the N-channel MOSFET is non-conductive, there is no current flowing from the power supply side to the ground side, and the CMOS is in terms of power consumption. Excellent circuit. Further, while the input signal changes from zero voltage to V DD or during changes from V DD to zero voltage, there is a period in which both the P-channel MOSFET and the N-channel MOSFET is turned on, the power supply side during this period Current flows from the ground to the ground side. This current is called a through current.
入力信号がゼロ電圧とVDDの範囲でパルス状に変化した場合の出力信号の電圧変化を説明する。図3に入力信号と出力信号の電圧波形を示す。入力信号は立ち上がり時間Trでゼロ電圧からVDD=3.5Vまで立ち上がる。この入力信号の変化に対応して、前述したように、出力信号はVDD=3.5Vからゼロ電圧に下がる。この出力信号の変化は入力信号の変化にいくぶんかの時間的な遅れ(図3では、入力信号と出力信号の中間値で遅れ時間Tpdを定義している。)をもって発生する。入力信号が立ち上がるにつれてNチャネルMOSFETは導通し、図2に示す負荷容量に充電されていた電荷を放電する。電荷がなくなるまでには時間がかかり、前述の遅れが発生するのである。入力信号が立ち下がり時間TfでVDD=3.5Vからゼロ電圧まで下がると、出力信号はゼロ電圧からVDD=3.5Vまで立上がる。この場合も、この出力信号の変化は入力信号の変化にいくぶんかの遅れをもって発生する。PチャネルMOSFETが導通して負荷容量を充電し、電荷が蓄積するまでには時間がかかるためである。図3にはこの遅れ時間を示していないが、通常は前述のTpdに近い時間になるよう回路設計される。この遅れ時間Tpdをゲート遅延時間と云う。 The voltage change of the output signal when the input signal changes in a pulse shape within the range of zero voltage and V DD will be described. FIG. 3 shows voltage waveforms of the input signal and the output signal. The input signal rises from zero voltage to V DD = 3.5V with rise time Tr. In response to this change in the input signal, as described above, the output signal falls from V DD = 3.5 V to zero voltage. This change in the output signal is generated with some time delay (in FIG. 3, the delay time Tpd is defined by an intermediate value between the input signal and the output signal). As the input signal rises, the N-channel MOSFET becomes conductive and discharges the charge charged in the load capacitance shown in FIG. It takes time until the charge disappears, and the above-mentioned delay occurs. When the input signal falls from V DD = 3.5V to zero voltage at the fall time Tf, the output signal rises from zero voltage to V DD = 3.5V. Again, this change in output signal occurs with some delay from the change in input signal. This is because it takes time for the P-channel MOSFET to conduct to charge the load capacitance and to accumulate the charge. Although this delay time is not shown in FIG. 3, the circuit is usually designed so as to be close to the above-described Tpd. This delay time Tpd is called a gate delay time.
CMOSインバータにおいて、このゲート遅延時間Tpdと入力立ち上がりと立ち下がり時に消費するエネルギーはトレードオフの関係にあり、これらを両立させることは大きな課題である。 In the CMOS inverter, the gate delay time Tpd and the energy consumed when the input rises and falls are in a trade-off relationship, and it is a big problem to achieve both.
この二つのパラメータのかね合いは、PチャネルMOSFETとNチャネルMOSFETのしきい値電圧VTP、VTNの設定によって決まる。具体的な数値例をつぎに示す。CMOSインバータの形状等に関して、PチャネルMOSFETでは、チャネル幅W=260 μm、チャネル長L=0.35 μm、ゲート酸化膜厚=7.8 nm、NチャネルMOSFETでは、チャネル幅W=130 μm、チャネル長L=0.35 μm、ゲート酸化膜厚=7.8 nm、負荷容量CL=0.6 pF(次段に同じ形状のCMOSインバータが接続されたことに対応)、電源電圧VDD=3.5V、入力信号の立ち上がり、立ち下がり時間Tr=Tf=1.5nsの場合について、しきい値電圧VTP、VTNを変えて、入力立ち上がり時と立ち下がり時の平均のゲート遅延時間、入力立ち上がり時と立ち下がり時の合計の消費エネルギーを表1に示す。この表の結果をVTP=−0.6V、VTN=0.6Vを基準にして比較すると、しきい値電圧が小さくなると(VTP=−0.3V、VTN=0.3V)、ゲート遅延時間は小さくなるが消費エネルギーは増える。反対に、しきい値電圧が大きくなると(VTP=−0.9 V、VTN=0.9V)、消費エネルギーは減少するがゲート遅延時間は大きくなる。ゲート遅延時間と消費エネルギーがトレードオフの関係にあることが分かり、両者の兼ね合いはしきい値電圧(VTP、VTN)で決まる。このようにしきい値電圧VTP、VTNの値は、通常は電源電圧の5〜6分の1程度に設定されることが多い。高速動作が要求される回路ではしきい値電圧はこれより低く設定し、低消費電力が重視される回路ではしきい値電圧は高く設定される。
表1 CMOSインバータのゲート遅延時間と消費エネルギー
The balance of these two parameters is determined by the threshold voltages V TP and V TN of the P-channel MOSFET and N-channel MOSFET. Specific numerical examples are shown below. Regarding the shape of the CMOS inverter, for P-channel MOSFET, channel width W = 260 μm, channel length L = 0.35 μm, gate oxide thickness = 7.8 nm, for N-channel MOSFET, channel width W = 130 μm, channel length L = 0.35 μm, gate oxide thickness = 7.8 nm, load capacitance C L = 0.6 pF (corresponding to the CMOS inverter of the same shape connected to the next stage), power supply voltage V DD = 3.5 V, input signal rise and rise For fall time Tr = Tf = 1.5 ns, change threshold voltages V TP and V TN , average gate delay time at input rise and fall, total consumption at input rise and fall The energy is shown in Table 1. Comparing the results in this table with V TP = -0.6V and V TN = 0.6V as a reference, when the threshold voltage decreases (V TP = -0.3V, V TN = 0.3V), the gate delay time is Smaller but more consumed energy. On the contrary, when the threshold voltage increases (V TP = −0.9 V, V TN = 0.9 V), the energy consumption decreases but the gate delay time increases. It can be seen that the gate delay time and energy consumption are in a trade-off relationship, and the balance between the two is determined by the threshold voltages (V TP , V TN ). As described above, the threshold voltages V TP and V TN are usually set to about one fifth to one sixth of the power supply voltage. The threshold voltage is set lower than this in a circuit that requires high-speed operation, and the threshold voltage is set higher in a circuit that emphasizes low power consumption.
Table 1 CMOS inverter gate delay time and energy consumption
CMOS回路の速度と消費電力を考慮してしきい値電圧VTP、VTPの値を設定する前述の考え方を一歩前進させたのが、MTCMOSとVTCMOSである。MTCMOSでは、高速動作が要求される回路部分では低いしきい値電圧を設定し、高速動作が求されない回路部分では高いしきい値電圧を設定する。すなわち、回路の部分部分で異なった値のしきい値電圧を用いる方法である。この方法では、動作速度と消費電力を両立させているとは言えない。VTCMOSは、回路の動作状態によってしきい値電圧を変える方法である。回路が通常の動作をしており高速性が要求される状態ではしきい値電圧を低くし、回路が待機状態などにあれば消費電力の方を重視してしきい値電圧を高くする。しきい値電圧を変える方法としては、PチャネルMOSFETあるいはNチャネルMOSFETが作られる基板領域に電圧を印加する。いわゆる基板バイアス効果を利用する。基板領域に印加する電圧(基板バイアス)は、回路が動作状態にある期間、あるいは待機状態にある期間は一定であるので、それぞれの期間内ではしきい値電圧は一定である。MTCMOS、VTCMOSにおいては、しきい値電圧は回路の中の信号に応じて動的に変化するのでなく、その回路の動作中は一定値である。 MTCMOS and VTCMOS have advanced the above-described concept of setting the threshold voltages V TP and V TP in consideration of the speed and power consumption of the CMOS circuit. In MTCMOS, a low threshold voltage is set in a circuit portion where high speed operation is required, and a high threshold voltage is set in a circuit portion where high speed operation is not required. That is, this is a method in which different values of threshold voltage are used in circuit portions. In this method, it cannot be said that the operation speed and the power consumption are compatible. VTCMOS is a method of changing the threshold voltage according to the operating state of the circuit. In a state where the circuit is operating normally and high speed is required, the threshold voltage is lowered, and if the circuit is in a standby state, the threshold voltage is increased with an emphasis on power consumption. As a method of changing the threshold voltage, a voltage is applied to a substrate region where a P-channel MOSFET or an N-channel MOSFET is formed. A so-called substrate bias effect is used. Since the voltage applied to the substrate region (substrate bias) is constant during a period in which the circuit is in operation or in a standby state, the threshold voltage is constant within each period. In MTCMOS and VTCMOS, the threshold voltage does not change dynamically according to the signal in the circuit, but is a constant value during the operation of the circuit.
また、電源電圧の低下とともにしきい値電圧をほぼ比例して減少させる場合、次のような現象から消費電力の問題が発生する。MOSFETのゲート電圧がしきい値電圧の前後で変化する場合、MOSFETは非導通から導通へ、あるいは導通から非導通へと急激に変わるのではない。しきい値電圧前後でのMOSFETの抵抗の変化は緩やかで、非導通から弱導通、さらに導通へと推移する。電源電圧の低下とともにしきい値電圧を減少させると、この弱導通の範囲の占める割合が大きくなり、非導通の範囲が狭くなる。さらに非導通におけるMOSFETの抵抗が減少して、CMOSの待機状態における消費電力が増加することになる。低電源電圧における大きな課題である。
Further, when the threshold voltage is reduced in proportion to the power supply voltage, the problem of power consumption occurs due to the following phenomenon. If the MOSFET gate voltage changes around the threshold voltage, the MOSFET does not change abruptly from non-conductive to conductive or from conductive to non-conductive. The change in the resistance of the MOSFET before and after the threshold voltage is gradual, transitioning from non-conduction to weak conduction and further to conduction. When the threshold voltage is decreased as the power supply voltage is lowered, the proportion of the weak conduction range increases, and the non-conduction range narrows. Further, the resistance of the MOSFET in non-conduction decreases, and the power consumption in the standby state of the CMOS increases. This is a big problem in low power supply voltage.
本発明は、CMOS回路において、しきい値電圧を回路中の信号の変化に対応して瞬時的に変化させる方法である。 The present invention is a method for instantaneously changing a threshold voltage in response to a change in a signal in a circuit in a CMOS circuit.
CMOSインバータにおいては、図4に示すように、AがPチャネルMOSFETの基板の端子であり、BがNチャネルMOSFETの基板の端子である。これらのA、Bに電圧を印加することにより、PチャネルMOSFET、NチャネルMOSFETのしきい値電圧を変えることができる。本発明は、入力電圧の変化に動的に対応して、A、Bの電圧を瞬時的に変化させる方法である。 In the CMOS inverter, as shown in FIG. 4, A is a terminal of the substrate of the P-channel MOSFET, and B is a terminal of the substrate of the N-channel MOSFET. By applying a voltage to these A and B, the threshold voltages of the P-channel MOSFET and N-channel MOSFET can be changed. The present invention is a method for instantaneously changing the voltages A and B in response to a change in input voltage.
入力信号の電圧がゼロ電圧から電源電圧VDDに上昇するときに、Aの電圧をVDDより高くし、Bの電圧をゼロ電圧より高くする。このようにすることにより、NチャネルMOSFETのしきい値電圧VTNは小さくなり、負荷の容量の放電が早まりゲート遅延時間は減少する。PチャネルMOSFETのしきい値電圧VTPは深くなり(絶対値で増加し)、貫通電流が減少して消費エネルギーが減少する。CMOSインバータのゲート遅延時間、消費エネルギーの両方が改善される。入力信号の電圧が電源電圧VDDからゼロ電圧に下降するときに、Aの電圧をVDDより低くし、Bの電圧をゼロ電圧より低くする。このようにすることにより、PチャネルMOSFETのしきい値電圧VTPは浅くなり(絶対値で減少し)、負荷の容量の充電が早まりゲート遅延時間は減少する。NチャネルMOSFETのしきい値電圧VTNは大きくなり、貫通電流が減少して消費エネルギーが減少する。このときもCMOSインバータのゲート遅延時間、消費エネルギーの両方が改善される。 すなわち、入力信号の電圧が上昇するときはA、Bの電圧を上昇させ、入力信号の電圧が下降するときはA、Bの電圧を下降させることにより、CMOSインバータのゲート遅延時間と消費エネルギーを改善できる。
When the voltage of the input signal rises from the zero voltage to the power supply voltage V DD , the voltage of A is made higher than V DD and the voltage of B is made higher than the zero voltage. By doing so, the threshold voltage V TN of the N-channel MOSFET becomes small, the discharge of the load capacitance is accelerated, and the gate delay time is reduced. The threshold voltage V TP of the P-channel MOSFET becomes deep (increases in absolute value), the through current is reduced, and the energy consumption is reduced. Both the gate delay time and energy consumption of the CMOS inverter are improved. When the voltage of the input signal falls from the power supply voltage V DD to zero voltage, the voltage of A is made lower than V DD and the voltage of B is made lower than zero voltage. By doing so, the threshold voltage V TP of the P-channel MOSFET becomes shallow (decreases in absolute value), charging of the load capacitance is accelerated, and the gate delay time is reduced. The threshold voltage V TN of the N-channel MOSFET is increased, the through current is reduced, and the energy consumption is reduced. At this time, both the gate delay time and energy consumption of the CMOS inverter are improved. That is, when the input signal voltage increases, the A and B voltages are increased, and when the input signal voltage decreases, the A and B voltages are decreased, thereby reducing the gate delay time and energy consumption of the CMOS inverter. Can improve.
CMOS回路において、本発明のしきい値電圧を回路の中の信号の変化に対応して瞬時的に変化させる回路を用いることにより、CMOS回路の速度と消費電力の関係を改善することができる。すなわち、消費電力を減少させて速度をあげる、あるいは消費電力の上昇を抑えて速度を上げることができる。 In the CMOS circuit, the relationship between the speed of the CMOS circuit and the power consumption can be improved by using a circuit that instantaneously changes the threshold voltage of the present invention in response to a change in the signal in the circuit. In other words, the power consumption can be reduced to increase the speed, or the increase in power consumption can be suppressed to increase the speed.
CMOS回路において、本発明のしきい値電圧を回路中の信号の変化に対応して瞬時的に変化させる回路を用いることにより、低電源電圧においてMOSFETのしきい値電圧をあらかじめ従来より高く設定することができ、CMOS回路の待機時の消費電力を減少できる。 In a CMOS circuit, the threshold voltage of the MOSFET is set higher in advance at a low power supply voltage by using a circuit that instantaneously changes the threshold voltage of the present invention in response to a change in the signal in the circuit. It is possible to reduce power consumption during standby of the CMOS circuit.
CMOS回路において、本発明のしきい値電圧を回路中の信号の変化に対応して瞬時的に変化させる回路を用いることにより、低電源電圧においてMOSFETのしきい値電圧をあらかじめ従来より高く設定することができ、CMOS回路を安定に動作させることができる。 In a CMOS circuit, the threshold voltage of the MOSFET is set higher in advance at a low power supply voltage by using a circuit that instantaneously changes the threshold voltage of the present invention in response to a change in the signal in the circuit. Therefore, the CMOS circuit can be operated stably.
本発明により、動作速度がより高速で、低費電力が少なく安定に動作するCMOS回路、およびそれで構成されたCMOS LSIチップならびに電子機器が実現できる。
According to the present invention, it is possible to realize a CMOS circuit that operates at a higher speed, operates at a low power consumption and is stable, and a CMOS LSI chip and an electronic device composed thereof.
これを実現できる原理的な回路の1例を図1に示す。図1では、入力端子(In)と接地の間を容量C1とC3で分割して、その中間点をPチャネルMOSFETの基板の端子Aに接続している。同様に、入力端子(In)と接地の間を容量C2とC4分割して、その中間点をNチャネルMOSFETの基板の端子Bに接続している。また、端子Aと電源端子の間を抵抗R5でつなぎ、端子Bと接地の間を抵抗R6で接続している。 R5、R6を通じて端子A、端子Bの初期電圧をそれぞれ電源電圧VDD、ゼロ電圧に設定する。また、入力信号の電圧の立上りあるいは立下りに時において端子A、端子Bの電圧が上昇あるいは下降した後に、引き続き入力信号の電圧の立下りあるいは立上りが始まる前に、R5、R6を通じて端子A、端子Bの電圧を本来の初期電圧(電源電圧VDDとゼロ電圧)に回復させる。C3に対してC1を大きく、C4に対してC2を大きくとることにより、入力信号の電圧の変化のほとんどをA、Bの電圧の変化に反映できる(入力信号の電圧の変化は、そのほとんどがC3、C4の電圧変化となり、C1、C2の電圧変化は小さい)。また、C3とC4を小さくすれば、入力端子から見た容量を増やすことにはならない。 図1の回路により、入力信号の電圧が上昇するときはA、Bの電圧を上昇させ、入力信号の電圧が下降するときはA、Bの電圧を下降させることができ、CMOSインバータのゲート遅延時間と消費エネルギーを改善できる。 An example of a principle circuit capable of realizing this is shown in FIG. In FIG. 1, the input terminal (In) and the ground are divided by capacitors C1 and C3, and the intermediate point is connected to the terminal A of the substrate of the P-channel MOSFET. Similarly, the capacitance C2 and C4 are divided between the input terminal (In) and the ground, and the intermediate point is connected to the terminal B of the substrate of the N-channel MOSFET. The terminal A and the power supply terminal are connected by a resistor R5, and the terminal B and the ground are connected by a resistor R6. The initial voltages at terminals A and B are set to the power supply voltage V DD and zero voltage through R5 and R6, respectively. Further, after the voltage at the terminal A and the terminal B rises or falls at the time of the rise or fall of the voltage of the input signal, the terminal A, through the terminals R5 and R6 before the fall or rise of the voltage of the input signal continues. The voltage at terminal B is restored to the original initial voltage (power supply voltage V DD and zero voltage). By making C1 larger than C3 and C2 larger than C4, most of the change in the voltage of the input signal can be reflected in the change in the voltage of A and B. C3 and C4 voltage change, C1 and C2 voltage change is small). Also, if C3 and C4 are made smaller, the capacity seen from the input terminal will not be increased. The circuit of FIG. 1 can increase the A and B voltages when the input signal voltage increases, and can decrease the A and B voltages when the input signal voltage decreases. Time and energy consumption can be improved.
図1において、入力信号の電圧の立ち上がりあるいは立ち下がり時において端子A、端子Bの電圧が上昇あるいは下降した後に、引き続き入力信号の電圧の立ち下がりあるいは立ち上がりが始まる前に、R5、R6を通じて端子A、端子Bの電圧を本来の初期電圧(電源電圧VDDとゼロ電圧)に回復させるためには、抵抗R5、R6の値は、C1・R5 ≪ Tw、 C2・R6 ≪ Twでなければならない。ここで、Twは図3に示す、入力信号のパルス幅である。上記を考慮し、1例として、C1=0.8 pF、C2=0.4 pF、C3=0.08 pF、C4=0.04 pF、VTP=−0.6V、VTN=0.6Vの条件で、R5=1 kΩ、R6=2 kΩとすれば、C1・R5=C2・R6=0.8 ns、
となり、入力立ち上がり時と立ち下がり時の平均のゲート遅延時間、入力立上り時と立下り時の合計の消費エネルギーを求めると、ゲート遅延時間=8.92×10−11 s、消費エネルギー=6.66×10−11 Jとなり、この値を前述の表の中のVTP=−0.6V、VTN=0.6Vの場合と比較すると、消費エネルギーはほとんど同じで、ゲート遅延時間は29%改良できている。
In FIG. 1, after the voltage at the terminal A and the terminal B rises or falls at the rise or fall of the voltage of the input signal, and before the fall or rise of the voltage of the input signal continues, the terminal A through R5 and R6. In order to restore the voltage at the terminal B to the original initial voltage (the power supply voltage V DD and the zero voltage), the values of the resistors R5 and R6 must be C1 · R5 << Tw, C2 · R6 << Tw. Here, Tw is the pulse width of the input signal shown in FIG. In view of the above, as an example, C1 = 0.8 pF, C2 = 0.4 pF, C3 = 0.08 pF, C4 = 0.04 pF, V TP = -0.6V, under the condition of V TN = 0.6V, R5 = 1 kΩ, If R6 = 2 kΩ, C1 ・ R5 = C2 ・ R6 = 0.8 ns,
The average gate delay time at the rise and fall of the input, and the total energy consumption at the rise and fall of the input, the gate delay time = 8.92 × 10 −11 s and the energy consumption = 6.66 × 10 − 11 J becomes, V TP = -0.6 V in the value of the above table, as compared with the case of V TN = 0.6V, energy consumption is almost the same, the gate delay time is made improved by 29%.
図1の回路によるゲート遅延時間の改良は入力信号の立ち上がり、立ち下がりが遅くなると顕著に表れる。Tr=Tf=2.5 nsの場合について結果のみを示すと、C1、C2、C3、C4、R5、R6が前述の値と同じ場合には、ゲート遅延時間の改良は35%になる。 The improvement of the gate delay time by the circuit of FIG. 1 becomes significant when the rise and fall of the input signal are delayed. If only the results are shown for Tr = Tf = 2.5 ns, the improvement in gate delay time is 35% when C1, C2, C3, C4, R5, and R6 are the same as described above.
図1のPチャネルMOSFET、NチャネルMOSFETの基板の端子A、Bには、それぞれのMOSFET内部で、基板・ソース間容量、基板・ドレイン間容量、基板・ゲート間容量が分布している。これらの容量があるため、図1の回路で容量C3、C4を除去した回路、すなわち図5の回路(C1=0.8 pF、C2=0.4 pF、R5=1 kΩ、R6=2 kΩ)で、Tr=Tf=1.5 nsの場合について入力立ち上がり時と立ち下がり時の平均のゲート遅延時間、入力立上り時と立下り時の合計の消費エネルギーを求めると、ゲート遅延時間=8.83×10−11 s、消費エネルギー=6.60×10−11 Jとなり、この値を前述の表の中のVTP=−0.6V、VTN=0.6Vの場合と比較すると、消費エネルギーはほとんど同じで、ゲート遅延時間は30%改良できている。これらの結果から、図1の容量C3、C4は省くことができることが分かる。 1, the substrate-source capacitance, the substrate-drain capacitance, and the substrate-gate capacitance are distributed in the respective terminals A and B of the P-channel MOSFET and N-channel MOSFET substrate. Because of these capacitances, the circuit of FIG. 1 with the capacitors C3 and C4 removed, that is, the circuit of FIG. 5 (C1 = 0.8 pF, C2 = 0.4 pF, R5 = 1 kΩ, R6 = 2 kΩ), Tr When the average gate delay time at the rise and fall of the input and the total energy consumption at the rise and fall of the input are calculated for the case of = Tf = 1.5 ns, the gate delay time = 8.83 × 10 −11 s, consumption Energy = 6.60 × 10 −11 J. Compared to the case of V TP = −0.6 V and V TN = 0.6 V in the above table, the energy consumption is almost the same and the gate delay time is 30%. It has been improved. From these results, it can be seen that the capacitors C3 and C4 in FIG. 1 can be omitted.
図5の回路では、入力信号の変化を容量C1、C2を介して、PチャネルMOSFET、NチャネルMOSFETの基板端子A、Bにあらわして、両MOSFETのゲートしきい値電圧をダイナミックに制御することにより、CMOSインバータの高速化(ゲート遅延時間の短縮)を図ってきた。この回路で、容量C2を除去し、抵抗R6を短絡した回路、すなわち図6に示す回路では、入力信号の変化はPチャネルMOSFETの基板端子Aにだけあらわれる。Tr=Tf=1.5 nsの場合について入力立ち上がり時と立ち下がり時の平均のゲート遅延時間、入力立上り時と立下り時の合計の消費エネルギーを求めると、ゲート遅延時間=1.1×10−10 s、消費エネルギー=6.69×10−11 Jとなり、この値を前述の表の中のVTP=−0.6V、VTN=0.6Vの場合と比較すると、消費エネルギーはほとんど同じで、ゲート遅延時間は13%改良できている。 In the circuit of FIG. 5, the change of the input signal is represented by the capacitors C1 and C2 to the substrate terminals A and B of the P-channel MOSFET and N-channel MOSFET, and the gate threshold voltage of both MOSFETs is dynamically controlled. As a result, CMOS inverters have been increased in speed (reduced gate delay time). In this circuit, in which the capacitor C2 is removed and the resistor R6 is short-circuited, that is, the circuit shown in FIG. 6, the change of the input signal appears only at the substrate terminal A of the P-channel MOSFET. When Tr = Tf = 1.5 ns, the average gate delay time at the time of input rise and fall, and the total energy consumption at the time of input rise and fall, the gate delay time = 1.1 × 10 −10 s, Energy consumption = 6.69 × 10 −11 J. Compared to the case of V TP = −0.6 V and V TN = 0.6 V in the above table, the energy consumption is almost the same, and the gate delay time is 13 % Improvement.
図5の回路で、容量C1を除去し、抵抗R5を短絡した回路、すなわち図7に示す回路では、入力信号の変化はNチャネルMOSFETの基板端子Bにだけあらわれる。Tr=Tf=1.5 nsの場合について入力立上り時と立下り時の平均のゲート遅延時間、入力立ち上がり時と立ち下がり時の合計の消費エネルギーを求めると、ゲート遅延時間=1.04×10−10 s、消費エネルギー=6.71×10−11 Jとなり、この値を前述の表の中のVTP=−0.6V、VTN=0.6Vの場合と比較すると、消費エネルギーはほとんど同じで、ゲート遅延時間は18%改良できている。 In the circuit of FIG. 5 in which the capacitor C1 is removed and the resistor R5 is short-circuited, that is, the circuit shown in FIG. 7, the change of the input signal appears only at the substrate terminal B of the N-channel MOSFET. When Tr = Tf = 1.5 ns, the average gate delay time at input rise and fall, and the total energy consumption at input rise and fall, the gate delay time = 1.04 × 10 -10 s, Energy consumption = 6.71 × 10 −11 J. Compared to the case of V TP = −0.6 V and V TN = 0.6 V in the above table, the energy consumption is almost the same and the gate delay time is 18 % Improvement.
図5の回路を半導体表面上に実現するには、PチャネルMOSFETとNチャネルMOSFETの基板を、それぞれNウェル、Pウェルとして構成するトリプルウェル構造がよい。トリプルウェル構造の説明図を図8に示す。図8はP形基板を用いる場合で、その基板表面の一部にNウェルを構成して、この中にPチャネルMOSFETを作る。基板表面の他の一部に深いNウェルを構成して、その中にPウェルを作る。このPウェルをNチャネルMOSトランジスタの基板とする。このようにPチャネルMOSFETとNチャネルMOSトランジスタの基板をNウェル、Pウェルとして独立に設けることにより、CMOSインバータの入力信号の変化をNウェル、Pウェルにあらわれるようにすることができる。 In order to realize the circuit of FIG. 5 on the semiconductor surface, a triple well structure in which the substrate of the P channel MOSFET and the N channel MOSFET is configured as an N well and a P well, respectively, is preferable. An explanatory diagram of the triple well structure is shown in FIG. FIG. 8 shows a case where a P-type substrate is used. An N-well is formed on a part of the substrate surface, and a P-channel MOSFET is formed therein. A deep N well is formed in another part of the substrate surface, and a P well is formed therein. This P well is used as a substrate of an N channel MOS transistor. Thus, by providing the substrate of the P-channel MOSFET and the N-channel MOS transistor independently as an N well and a P well, a change in the input signal of the CMOS inverter can appear in the N well and the P well.
図5あるいは図6のPチャネルMOSFET、容量C1、抵抗R5を半導体表面上に実現する方法の1例を、図9に示す。P形基板の表面にNウェルを構成し、その中にPチャネルMOSFETと容量C1を作り、抵抗R5はNウェル外の絶縁膜(フィールド酸化膜)上に薄膜として実現している。Nウェルの表面上の一部に、ウェルの不純物濃度より高いN形高不純物層を作って、C1の容量値を実現しやすいよう工夫している。 FIG. 9 shows an example of a method for realizing the P-channel MOSFET, the capacitor C1, and the resistor R5 of FIG. 5 or 6 on the semiconductor surface. An N-well is formed on the surface of a P-type substrate, a P-channel MOSFET and a capacitor C1 are formed therein, and a resistor R5 is realized as a thin film on an insulating film (field oxide film) outside the N-well. An N-type high impurity layer higher than the impurity concentration of the well is formed on a part of the surface of the N well so that the capacitance value of C1 can be easily realized.
図5あるいは図7のNチャネルMOSFET、容量C2、抵抗R6を半導体表面上に実現する方法については説明を省略するが、図9と類似の回路をPウェルの中に構成すればよい。 Description of the method for realizing the N-channel MOSFET, the capacitor C2, and the resistor R6 of FIG. 5 or 7 on the semiconductor surface is omitted, but a circuit similar to FIG. 9 may be configured in the P-well.
図6あるいは図7の回路を半導体表面上に実現するには、トリプルウェル構造は必要でない。図6の回路を実現するには、通常のP形基板を用いるNウェル構造でもよい。
図7の回路を実現するには、通常のN形基板を用いるPウェル構造でもよい。
In order to realize the circuit of FIG. 6 or 7 on the semiconductor surface, a triple well structure is not necessary. To realize the circuit of FIG. 6, an N-well structure using a normal P-type substrate may be used.
To realize the circuit of FIG. 7, a P-well structure using a normal N-type substrate may be used.
これまでの説明は、すべて、通常の半導体基板を用いるCMOS回路における本発明の改良について行ってきた。SOI(Silicon on Insulator)ウェーハを半導体基板として用いる場合は、本発明の回路による改善はより顕著に現れる。以下に説明する。SOIウェーハの表面にPチャネルMOSFETとNチャネルMOSFETを実現する構成を図10に示す。半導体基板上に厚い絶縁膜層を形成し、さらにその上に薄い単結晶半導体膜を形成する。PチャネルMOSFETとNチャネルMOSFETは、図10に示すようにこの薄い単結晶半導体を用いて実現する。このような構造にすることにより、PチャネルMOSFETとNチャネルMOSFETのドレイン領域(図10にDで示すところ)は半導体基板と直接に接することがなくなり、すなわち、ドレイン領域と半導体基板の間には厚い絶縁膜が介在することになり、ドレイン領域と半導体基板の間の容量は小さくなる。このため、SOIウェーハを用いるCMOS回路は、通常の半導体基板(SOIウェーハと区別するためバルクシリコンと呼ばれる)を用いるCMOS回路より高速動作する。 All the descriptions so far have been made on the improvement of the present invention in a CMOS circuit using a normal semiconductor substrate. When an SOI (Silicon on Insulator) wafer is used as a semiconductor substrate, the improvement by the circuit of the present invention appears more remarkably. This will be described below. FIG. 10 shows a configuration for realizing a P-channel MOSFET and an N-channel MOSFET on the surface of the SOI wafer. A thick insulating film layer is formed over the semiconductor substrate, and a thin single crystal semiconductor film is further formed thereon. A P-channel MOSFET and an N-channel MOSFET are realized using this thin single crystal semiconductor as shown in FIG. By adopting such a structure, the drain regions (shown by D in FIG. 10) of the P-channel MOSFET and the N-channel MOSFET are not in direct contact with the semiconductor substrate, that is, between the drain region and the semiconductor substrate. A thick insulating film is interposed, and the capacitance between the drain region and the semiconductor substrate is reduced. For this reason, a CMOS circuit using an SOI wafer operates at a higher speed than a CMOS circuit using an ordinary semiconductor substrate (referred to as bulk silicon to distinguish it from an SOI wafer).
本発明の比較の基準となる図2の回路をSOIウェーハ上に構成する。PチャネルMOSFETとNチャネルMOSFETのチャネル長(L)、チャネル幅(W)、ゲート酸化膜厚、しきい値電圧(VTP、VTN)、電源電圧(VDD)、負荷容量(CL)の値は前述のバルクシリコンの場合と同じ値に設定する。入力信号の立ち上がり、立ち下がり時間Tr=Tf=1.5nsの場合について、入力立ち上がり時と立ち下がり時の平均のゲート遅延時間、入力立ち上がり時と立ち下がり時の合計の消費エネルギーを求めると、ゲート遅延時間=1.04×10−10 s、消費エネルギー=6.39×10−11 Jとなる。図5の回路をSOIウェーハ上に構成し、バルクシリコンの場合と同様にC1=0.8 pF、C2=0.4 pF、R5=1 kΩ、R6=2 kΩとする。入力信号の立ち上がり、立ち下がり時間Tr=Tf=1.5 nsの場合について、入力立ち上がり時と立ち下がり時の平均のゲート遅延時間、入力立ち上がり時と立ち下がり時の合計の消費エネルギーを求めると、ゲート遅延時間=5.88×10−11 s、消費エネルギー=6.17×10−11 Jとなり、上の場合と比較して、消費エネルギーはあまり変わりなく、ゲート遅延時間は43%改良できている。バルクシリコンの場合の30%改良より大きな値である。 The circuit of FIG. 2 serving as a reference for comparison of the present invention is configured on an SOI wafer. Channel length (L), channel width (W), gate oxide film thickness, threshold voltage (V TP , V TN ), power supply voltage (V DD ), load capacitance (C L ) of P-channel MOSFET and N-channel MOSFET Is set to the same value as in the case of bulk silicon. When the input signal rise and fall time Tr = Tf = 1.5 ns, the average gate delay time at the input rise and fall, and the total energy consumption at the input rise and fall, find the gate delay. Time = 1.04 × 10 −10 s, energy consumption = 6.39 × 10 −11 J. The circuit of FIG. 5 is configured on an SOI wafer, and C1 = 0.8 pF, C2 = 0.4 pF, R5 = 1 kΩ, and R6 = 2 kΩ as in the case of bulk silicon. When the input signal rise and fall times Tr = Tf = 1.5 ns, the average gate delay time at the input rise and fall, and the total energy consumption at the input rise and fall, find the gate delay. Time = 5.88 × 10 -11 s, energy consumption = 6.17 × 10 -11 J. Compared to the above case, the energy consumption is not much different and the gate delay time is improved by 43%. This is larger than the 30% improvement in the case of bulk silicon.
図5あるいは図6のPチャネルMOSFET、容量C1、抵抗R5をSOIウェーハ上に実現する方法の1例を、図11に示す。厚い絶縁膜層上にN形単結晶半導体薄膜を形成し、その中にPチャネルMOSFET、容量C1、抵抗R5を作る。N形単結晶半導体薄膜の一部を不純物濃度より高いN形高不純物層にして、C1の容量値を実現しやすいよう工夫している。 FIG. 11 shows an example of a method for realizing the P-channel MOSFET, the capacitor C1, and the resistor R5 of FIG. 5 or 6 on the SOI wafer. An N-type single crystal semiconductor thin film is formed on the thick insulating film layer, and a P-channel MOSFET, a capacitor C1, and a resistor R5 are formed therein. A part of the N-type single crystal semiconductor thin film is made into an N-type high impurity layer having a higher impurity concentration so that the C1 capacitance value can be easily realized.
これまでの議論はすべて図2に示すCMOSインバータを対象に、CMOSインバータを構成するPチャネルMOSFETとNチャネルMOSFETのゲートしきい値電圧をCMOSインバータの入力信号に同期させてダイナミックに変化させることにより、CMOSインバータを高速化する種々の方法を提案してきた。これまでに提案してきた方法は、インバータに限定されるわけでなく多くのゲート回路、すなわち多くのCMOS論理回路でも、そのゲート遅延時間を小さくする効果を発揮する。図12に2入力CMOS NAND回路に本発明を応用した回路を、図13に2入力CMOS NOR回路に本発明を応用した回路を示す。 All the discussions so far have been directed to the CMOS inverter shown in FIG. 2, by dynamically changing the gate threshold voltage of the P-channel MOSFET and N-channel MOSFET constituting the CMOS inverter in synchronization with the input signal of the CMOS inverter. Various methods for speeding up CMOS inverters have been proposed. The methods proposed so far are not limited to inverters, and many gate circuits, that is, many CMOS logic circuits, exhibit the effect of reducing the gate delay time. FIG. 12 shows a circuit in which the present invention is applied to a 2-input CMOS NAND circuit, and FIG. 13 shows a circuit in which the present invention is applied to a 2-input CMOS NOR circuit.
これまでの議論はまた、CMOS論理回路を構成するPチャネルMOSFETとNチャネルMOSFETのゲートしきい値電圧を、そのCMOS論理回路の直前の入力信号に同期させてダイナミックに変化させることにより、CMOS論理回路の高速化を実現する方法を提案してきた。しかし、PチャネルMOSFETとNチャネルMOSFETのゲートしきい値電圧をダイナミックに変化させる信号は、その論理回路の直前の入力信号に限定されるわけではない。本発明がより高く効果を発揮するには、論理回路に入力信号が到達する前に、その論理回路を構成するPチャネルMOSFETとNチャネルMOSFETのゲートしきい値電圧を変化させておいた方がよい。簡単な具体例をあげて説明する。 The discussion so far has also shown that the CMOS threshold voltage of the P-channel MOSFET and N-channel MOSFET constituting the CMOS logic circuit is dynamically changed in synchronization with the input signal immediately before the CMOS logic circuit. A method for realizing high-speed circuit has been proposed. However, the signal that dynamically changes the gate threshold voltage of the P-channel MOSFET and the N-channel MOSFET is not limited to the input signal immediately before the logic circuit. In order for the present invention to be more effective, it is better to change the gate threshold voltages of the P-channel MOSFET and N-channel MOSFET constituting the logic circuit before the input signal reaches the logic circuit. Good. A simple specific example will be described.
図14(b)に示す回路は、CMOSインバータを4段、縦続接続した回路で、よく用いられる。図14(a)に示すように、小さなインバータ回路(A)の出力信号で直接大きな負荷容量(CL)を駆動する大きなインバータ回路(D)を駆動すると、信号の遅れが大きくなる。これを防ぐために用いられるのが図14(b)に示す回路で、インバータ回路(A)と(D)の間に、順次大きくなるインバータ(B)、(C)を挿入することで信号の遅れの増大を防ぐ。
これまでに説明してきた方法では、インバータ(C)の出力信号を、インバータ(D)を構成するPチャネルMOSFETとNチャネルMOSFETのゲートしきい値電圧を変化させる信号として用いることで、インバータ(D)のゲート遅延時間を小さくする。この回路では、インバータ(A)の出力信号は、インバータ(C)の出力信号と同相の変化をし、インバータ(C)の出力信号より早く変化する。したがって、インバータ(D)を構成するPチャネルMOSFETとNチャネルMOSFETのゲートしきい値電圧を変化させる信号としては、インバータ(C)の出力信号よりインバータ(A)の出力信号の方がよい。
The circuit shown in FIG. 14B is a circuit in which four stages of CMOS inverters are connected in cascade. As shown in FIG. 14A, when a large inverter circuit (D) that directly drives a large load capacity (C L ) is driven by an output signal of the small inverter circuit (A), the delay of the signal increases. In order to prevent this, the circuit shown in FIG. 14 (b) is used, and signal delays are obtained by inserting inverters (B) and (C) that are sequentially increased between the inverter circuits (A) and (D). To prevent the increase.
In the method described so far, the output signal of the inverter (C) is used as a signal for changing the gate threshold voltage of the P-channel MOSFET and the N-channel MOSFET that constitute the inverter (D), so that the inverter (D ) To reduce the gate delay time. In this circuit, the output signal of the inverter (A) changes in phase with the output signal of the inverter (C) and changes faster than the output signal of the inverter (C). Therefore, the output signal of the inverter (A) is better than the output signal of the inverter (C) as the signal for changing the gate threshold voltage of the P-channel MOSFET and the N-channel MOSFET constituting the inverter (D).
これまでの説明では、CMOS回路を構成する素子としては、ゲート絶縁物として酸化物を用いる平面的なMOSFETを例に取り上げてきた。しかし、本発明の趣旨はゲート絶縁物の種類やトランジスタの構造にかかわるものではなく、構造の如何によらず広く絶縁ゲート形電界効果トランジスタを用いる相補形の回路で、Pチャネル絶縁ゲート形電界効果トランジスタとNチャネル絶縁ゲート形電界効果トランジスタのゲートしきい値電圧の制御に関するものある。
In the description so far, a planar MOSFET using an oxide as a gate insulator has been taken as an example of an element constituting a CMOS circuit. However, the gist of the present invention is not related to the type of gate insulator or the structure of the transistor, but is a complementary circuit that uses an insulated gate field effect transistor widely regardless of the structure. The present invention relates to control of gate threshold voltages of transistors and N-channel insulated gate field effect transistors.
R5,R6,R5A,R5B,R6A,R6B・・・抵抗、CL,C1,C2,C3,C4,C1A,C1B,C2A,C2B・・・容量、In,InA,InB・・・信号入力、Out・・・信号出力、Tr・・・立ち上がり時間、Tf・・・立ち下がり時間、Tpd・・・ゲート遅延時間、G・・・ゲート、S・・・ソース、D・・・ドレイン、VDD・・・電源電位
R5, R6, R5A, R5B, R6A, R6B ... Resistance, CL, C1, C2, C3, C4, C1A, C1B, C2A, C2B ... Capacitance, In, InA, InB ... Signal input, Out ... Signal output, Tr ... Rise time, Tf ... Fall time, Tpd ... Gate delay time, G ... Gate, S ... Source, D ... Drain, VDD ...・ Power supply potential
Claims (3)
In a CMOS circuit using a P-channel MOSFET and an N-channel MOSFET, the potential of a certain contact in the circuit changes to a rectangular wave shape composed of a first potential and a second potential, and the potential of the contact changes from the first potential to the second potential. When the voltage rises or falls from the second potential to the first potential, the gate threshold voltage of the P-channel MOSFET and / or the N-channel MOSFET changes in a direction that accelerates the operation of the CMOS circuit according to the change, and after the change, A semiconductor device comprising means for recovering the changed gate threshold voltage to the value before the change when the contact potential holds the first potential or the second potential.
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the substrate bias effect of the MOSFET is used as means for changing the gate threshold voltage of the P-channel MOSFET and / or the N-channel MOSFET.
The contact and the substrate bias node of the target MOSFET are connected by a circuit including an electrostatic capacity, and the power supply and ground that provide the substrate bias node of the target MOSFET and the value at which the substrate bias recovers 3. The semiconductor device according to claim 2, wherein the nodes are connected by a circuit including a resistor.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20080205 |