KR100618706B1 - Well Bias Voltage Generators for Transistors - Google Patents
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Abstract
주위 온도 변화에 따라 가변되는 웰 바이어스 전압을 출력하는 트랜지스터용 웰 바이어스 전압 발생기를 제공된다. There is provided a well bias voltage generator for a transistor that outputs a well bias voltage that varies with ambient temperature changes.
제공된 트랜지스터용 웰 바이어스 전압 발생기는 온도의 함수인 기준전압을 발생하는 기준전압 발생기와, 상기 기준전압 발생기로부터 발생한 기준전압을 수신하는 레벨 검출기와, 상기 레벨 검출기의 출력 신호를 수신하여 소정 주기의 펄스를 발생하는 오실레이타와, 상기 오실레이타로부터 발생된 상기 펄스를 수신하여 트랜지스터의 웰에 인가되는 웰 바이어스 전압을 생성하는 펌프를 구비한다.The provided well bias voltage generator for a transistor includes a reference voltage generator for generating a reference voltage as a function of temperature, a level detector for receiving a reference voltage generated from the reference voltage generator, and a pulse of a predetermined period by receiving an output signal of the level detector. An oscillator for generating a; and a pump for receiving the pulse generated from the oscillator to generate a well bias voltage applied to the well of the transistor.
Description
도 1a, 1b는 트랜지스터의 문턱전압을 설명한다.1A and 1B illustrate threshold voltages of transistors.
도 2a는 온도 변동에 따라 트랜지스터의 백 바이어스 전압을 조절할 수 있는 백 바이어스 전압 발생기를 도시한다.2A illustrates a back bias voltage generator capable of adjusting the back bias voltage of a transistor in response to temperature variations.
도 2b는 도 2a에 도시된 기준전압 발생기의 일예이다. FIG. 2B is an example of the reference voltage generator shown in FIG. 2A.
도 2c는 도 2b의 온도 특성 그래프이다. 2C is a graph of temperature characteristics of FIG. 2B.
도 3a, 3b, 3c, 3d는 트랜지스터의 문턱전압 특성을 도시하는 도면이다.3A, 3B, 3C, and 3D are diagrams showing threshold voltage characteristics of transistors.
도 4는 본 발명에서 제안한 회로를 이용한 실험 결과이다. 4 is an experimental result using the circuit proposed in the present invention.
본 발명은 트랜지스터용 웰 바이어스 전압 발생기에 관한 것으로, 특히 주위 온도 변화에 따라 가변되는 웰 바이어스 전압을 출력하는 트랜지스터용 웰 바이어스 전압 발생기에 관한 것이다. The present invention relates to a well bias voltage generator for a transistor, and more particularly, to a well bias voltage generator for a transistor for outputting a well bias voltage that varies with ambient temperature change.
최근들어, 반도체 장치의 제조기술의 발달로 인하여, 반도체 장치의 사이즈는 감소하고 속도는 증가하고 있다. 그로 인하여, 반도체 장치의 동작특성은 전압, 온도, 공정 변수의 변화에 더욱 더 민감하게 영향을 받고 있다. Recently, due to the development of the manufacturing technology of semiconductor devices, the size of semiconductor devices is decreasing and the speed is increasing. Therefore, operating characteristics of the semiconductor device are more sensitively affected by changes in voltage, temperature, and process variables.
일반적으로, 공정 변수의 변화는 적용 장비, 적용 공정 recipe, 그리고 포토 마스크를 세심히 관리하여 최소화할 수 있다. In general, changes in process parameters can be minimized by careful control of applied equipment, applied process recipes, and photomasks.
그러나, 전압 및 온도 변화에 따른 반도체 장치의 동작 특성은 제품의 스펙(specification) 및 반도체 장치내에 구현되는 회로의 종류에 따라서 크게 영향을 받게된다.However, the operating characteristics of the semiconductor device according to the voltage and the temperature change are greatly affected by the specification of the product and the type of circuit implemented in the semiconductor device.
예컨대, 반도체 장치의 고집적화로 인하여, 반도체 장치에 집적되는 트랜지스터의 사이즈가 줄어드는 경우, 트랜지스터의 동작 특성은 주위 온도 등의 변화에 의하여 큰 영향을 받는다. 그 중에서도 트랜지스터의 동작과 직접 관련이 있는 문턱 전압의 변화는 매우 중요하다. For example, when the size of the transistor integrated in the semiconductor device is reduced due to the high integration of the semiconductor device, the operating characteristics of the transistor are greatly affected by changes in the ambient temperature. Among them, the change of the threshold voltage which is directly related to the operation of the transistor is very important.
이러한 문턱전압의 일반적인 특성은 다음과 같다. The general characteristics of these threshold voltages are as follows.
첫째, 트랜지스터의 문턱전압은 온도가 낮아질 수록 그 절대값이 증가한다. 그 이유는 온도가 낮아질 수록, 트랜지스터의 진성 캐리어 밀도(intrinsic carrier density)가 작아지기 때문이다. 즉, 온도가 낮아지면, 확산 전류가 감소하므로 subthreshold 전류도 줄어든다. 따라서, 트랜지스터를 턴온시키기 위해서 인가되는 게이트 전압이 상승하게 된다(즉, 문턱전압이 상승한다). First, the threshold voltage of the transistor increases as the temperature decreases. This is because the lower the temperature, the smaller the intrinsic carrier density of the transistor. In other words, as the temperature decreases, the diffusion current decreases, so the subthreshold current also decreases. Thus, the gate voltage applied to turn on the transistor rises (i.e., the threshold voltage rises).
둘째, 트랜지스터의 문턱전압은 웰 바이어스 전압의 절대치가 증가할 수록 상승한다. 왜냐하면, 웰 바이어스 전압이 증가할 수록 채널에 형성된 inversion charge 를 공핍시키게 되므로, 채널을 턴온시키기 위해서는 더 높은 게이트 전압이 필요하기 때문이다. Second, the threshold voltage of the transistor increases as the absolute value of the well bias voltage increases. This is because as the well bias voltage increases, the inversion charge formed in the channel is depleted, and thus a higher gate voltage is required to turn on the channel.
그런데, 반도체 장치 중에서 휘발성 메모리 장치에 사용되는 셀 트랜지스터의 문턱전압(threshold voltage)은 셀 트랜지스터의 펀치 스루우 마아진(punch- through margin)을 확보하기 위하여 일정한 값(하한값)보다 높아야 한다. 그러나, 문턱 전압이 너무 높으면 셀 트랜지스터의 턴온 전류가 감소되어 휘발성 메모리 장치의 tWR(write recovery time)이 길어지는 문제점이 있으므로 셀 트랜지스터의 문턱전압은 일정한 값(상한 값)보다 낮아야 한다.However, a threshold voltage of a cell transistor used in a volatile memory device among semiconductor devices should be higher than a predetermined value (lower limit value) in order to secure a punch-through margin of the cell transistor. However, if the threshold voltage is too high, the turn-on current of the cell transistor is reduced and the write recovery time (tWR) of the volatile memory device is long. Therefore, the threshold voltage of the cell transistor should be lower than a predetermined value (upper limit).
이상은 트랜지스터의 문턱전압의 상한치가 턴온 전류의 값으로 결정되고, 하한치가 subthreshold 전류, 즉 누설 전류의 값으로 정해진다는 일반적인 사실을 기술한 것이다. 모든 트랜지스터는 가능한 동작환경(온도, 인가전압 및 공정조건의 변화 환경)하에서 규정된 상한치와 하한치 사이에서 문턱전압이 유지되도록 설계되어야 한다. The foregoing describes the general fact that the upper limit of the threshold voltage of the transistor is determined by the value of the turn-on current, and the lower limit is determined by the value of the subthreshold current, that is, the leakage current. All transistors should be designed so that the threshold voltage is maintained between the specified upper and lower limits under the possible operating environment (change of temperature, applied voltage and process conditions).
한편, 사용되는 문턱전압은 여러가지 방식으로 정의될 수 있는데, 그 중, 일정한 턴온 전류가 흐르는 시점을 묘사하는 external VT(Vext)는 상한치를 규정하기에 적합하다. On the other hand, the threshold voltage used can be defined in a number of ways, of which external VT (Vext), which describes the point in time at which a constant turn-on current flows, is suitable for defining an upper limit.
또한, subthreshold 전압 상태에서 규정된 전류값(예컨대, 10nA)이 흐를 때 인가된 게이트 전압을 나타내는 saturation VT(VTsat)은 하한값을 규정하기에 적합하다. In addition, a saturation VT (VTsat) representing an applied gate voltage when a specified current value (eg, 10 nA) flows in a subthreshold voltage state is suitable for defining a lower limit value.
즉, 트랜지스터의 문턱전압의 상한치는 VText 로 표시될 수 있고, 하한치는 Vsat로 표시될 수 있다. 이 두가지 문턱전압은 정의에 따라 조금씩 다를 수도 있디만, 일반적으로 도 1a, 1b와 같이 결정된다. That is, the upper limit of the threshold voltage of the transistor may be represented by VText, and the lower limit may be represented by Vsat. These two threshold voltages may vary slightly depending on the definition, but are generally determined as shown in FIGS. 1A and 1B.
도 1a에서 알 수 있듯이, 문턱전압(VText)은 트랜지스터의 드레인-소오스간 전압(Vds)이 0.1V 인 정도인 상태에서 드레인 전류(Id)의 기울기 직선과 교차하는 게이트-소오스간 전압(Vgs)으로 정의된다. As can be seen in FIG. 1A, the threshold voltage VText is the gate-source voltage Vgs that crosses the slope of the drain current Id in a state where the drain-source voltage Vds of the transistor is about 0.1V. Is defined.
그리고, 도 1b에서 알 수 있듯이, 문턱전압(VTsat)은 트랜지스터의 드레인-소오스간 전압(Vds)이 1.8V 인 정도인 상태에서 드레인 전류(logId)가 10㎁일때의 게이트-소오스간 전압(Vgs)으로 정의된다.As shown in FIG. 1B, the threshold voltage VTsat is a gate-to-source voltage Vgs when the drain current logId is 10 mA when the drain-source voltage Vds of the transistor is about 1.8V. Is defined as
그러나, 반도체 제조 공정을 안정화시켜, 반도체 장치에 집적되는 트랜지스터들의 문턱전압을 위에서 언급한 상한값과 하한값사이에 있도록 한 경우에도, 주위의 온도 등이 변하는 경우, 트랜지스터의 문턱전압은 위에서 언급한 상한값과 하한 값을 벗어나는 경우가 있다(보통, 주위의 온도가 50도의 고온에서 25도 정도의 상온으로 변할때 문턱전압은 약 50mV 정도 증가한다.) 이때문에 트랜지스터의 동작 특성이 심각하게 변할 수 있으며, 이는 반도체 장치의 오동작을 초래할 수 있다. However, even when the semiconductor manufacturing process is stabilized so that the threshold voltages of the transistors integrated in the semiconductor device are between the upper and lower limits mentioned above, when the ambient temperature and the like change, the threshold voltages of the transistors are different from the upper limits mentioned above. Sometimes the threshold is out of bounds (typically, when the ambient temperature changes from a high temperature of 50 degrees to a room temperature of 25 degrees, the threshold voltage increases by about 50 mV). This can seriously change the operating characteristics of the transistor. It may cause malfunction of the semiconductor device.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 온도 변화에도 불구하고 안정된 문턱 전압을 갖는 트랜지스터를 제공하고자 한다.The present invention has been proposed to solve the above problems, and to provide a transistor having a stable threshold voltage despite temperature changes.
또한, 본 발명은 트랜지스터의 문턱전압이 온도에 따라 변하는 것을 방지하기 위하여, 트랜지스터의 웰 바이어스 전압을 온도 변화에 따라 가변시킬 수 있는 웰 바이어스 전압 발생기를 제공한다.In addition, the present invention provides a well bias voltage generator capable of varying the well bias voltage of a transistor according to a temperature change in order to prevent the threshold voltage of the transistor from changing with temperature.
또한, 본 발명은 주위 온도가 낮아지는 경우, 트랜지스터의 문턱 전압이 증 가하는 것을 방지하기 위하여, 주위 온도가 낮아지는 경우에 웰 바이어스 전압을 전압을 감소시킴으로써 트랜지스터의 문턱전압을 일정하게 유지하는 웰 바이어스 전압 발생기를 제공한다. In addition, the present invention is to prevent the threshold voltage of the transistor increases when the ambient temperature is lowered, the well bias to maintain the threshold voltage of the transistor constant by reducing the well bias voltage when the ambient temperature is lowered Provide a voltage generator.
본 발명의 실시예인 트랜지스터용 웰 바이어스 전압 발생기는 온도의 함수인 기준전압을 발생하는 기준전압 발생기와, 상기 기준전압 발생기로부터 발생한 기준전압을 수신하는 레벨 검출기와, 상기 레벨 검출기의 출력 신호를 수신하여 소정 주기의 펄스를 발생하는 오실레이타와, 상기 오실레이타로부터 발생된 상기 펄스를 수신하여 트랜지스터의 웰에 인가되는 웰 바이어스 전압을 생성하는 펌프를 구비하며,In an embodiment of the present invention, a well bias voltage generator for a transistor includes a reference voltage generator for generating a reference voltage as a function of temperature, a level detector for receiving a reference voltage generated from the reference voltage generator, and an output signal of the level detector. An oscillator for generating a pulse of a predetermined period, and a pump for receiving the pulse generated from the oscillator and generating a well bias voltage applied to a well of a transistor,
상기 레벨 검출기는 상기 기준전압과 상기 웰 바이어스 전압의 절대치를 비교하여 상기 기준전압과 같아질 때까지 상기 오실레이타를 구동하는 신호를 출력한다. The level detector compares the absolute value of the reference voltage with the well bias voltage and outputs a signal for driving the oscillator until it is equal to the reference voltage.
본 발명에서, 상기 웰 바이어스 전압은 네거티브 전압인 백바이어스 전압이며, 상기 백바이어스 전압은 NMOS 트랜지스터의 웰에 인가된다. In the present invention, the well bias voltage is a back bias voltage which is a negative voltage, and the back bias voltage is applied to the well of the NMOS transistor.
본 발명에서, 상기 웰 바이어스 전압은 전원전압보다 높은 고전압이며, 상기 고전압은 PMOS 트랜지스터의 웰과 PMOS 트랜지스터의 소오스에 인가된다.In the present invention, the well bias voltage is a high voltage higher than the power supply voltage, and the high voltage is applied to the well of the PMOS transistor and the source of the PMOS transistor.
본 발명에서, 주위 온도 변화에 따른 상기 기준전압의 변화비는 양의 계수를 가진다.In the present invention, the change ratio of the reference voltage according to the change of the ambient temperature has a positive coefficient.
본 발명에서, 상기 백바이어스 전압과 고전압의 온도에 대한 변화비는 양의 계수를 갖는다.In the present invention, the change ratio with respect to the temperature of the back bias voltage and the high voltage has a positive coefficient.
본 발명에서, 상기 백바이어스 전압의 온도에 대한 변화비는 음의 계수를 가지며(온도가 증가할 때, 백바이어스(음수값)는 작아진다) PMOS 트랜지스터의 웰과 소오스에 인가되는 고전압의 온도에 대한 변화비는 양의 계수를 갖는다. In the present invention, the ratio of the change of the back bias voltage to the temperature has a negative coefficient (when the temperature increases, the back bias (negative value) becomes small) to the temperature of the high voltage applied to the wells and sources of the PMOS transistors. The ratio of change to has a positive coefficient.
(실시예)(Example)
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 참고로, 본 발명에서 설명하는 웰 바이어스 전압 발생기는 NMOS 트랜지스터의 웰 바이어스를 조절하는 백 바이어스 전압 발생기와 PMOS 트랜지스터의 웰 바이어스를 조절하는 고전압 발생기를 포함하는 용어이다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. For reference, the well bias voltage generator described in the present invention is a term including a back bias voltage generator for adjusting the well bias of the NMOS transistor and a high voltage generator for adjusting the well bias of the PMOS transistor.
도 2는 온도 변동에 따라 트랜지스터의 백 바이어스 전압을 조절할 수 있는 백 바이어스 전압 발생기를 도시한다. 2 shows a back bias voltage generator capable of adjusting the back bias voltage of a transistor in response to temperature variations.
도 2에 도시된 백바이어스 전압 발생기는 기준전압 발생기(201)와 레벨 검출기(202)와 오실레이타(203)와 백바이어스 펌프(204)를 구비한다. The back bias voltage generator shown in FIG. 2 includes a
온도 변화에 둔감한 특성을 갖는 일반적인 기준전압 발생기와는 달리, 본 발명의 기준전압 발생기(201)로부터 발생하는 기준전압(Vr)은 온도 변화에 관한 정보를 내포한다. 즉, 반도체 장치의 주위 온도가 상승하는 경우, 기준전압 발생기(201)로부터 발생하는 기준전압(Vr)은 일정한 비율로 증가한다. 당업자는 이러한 특성을 갖는 기준전압 발생기(201)를 다양하게 구현할 수 있을 것이다.Unlike a general reference voltage generator having a characteristic insensitive to temperature change, the reference voltage Vr generated from the
레벨 검출기(102)는 기준전압 발생기(201)로부터 발생한 기준전압(Vr)과 백바이어스 펌프(204)로부터 출력되는 백바이어스 전압(VBB)을 비교하는 회로이다. 주지된 바와같이, 2 개의 전압을 수신하여 그 고저를 비교하는 비교기 회로는 다양하게 공지되어 있으므로 당업자는 공지된 다양한 비교기 회로중의 하나를 선택하여 도 2의 레벨 검출기로 구현할 수 있을 것이다. 레벨 검출기(202)는 기준전압(Vr)과 후술될 백바이어스 전압(VBB)의 절대치가 같아질 때까지 오실레이타(203)를 동작시키는 논리 신호를 계속 출력한다. The level detector 102 is a circuit for comparing the reference voltage Vr generated from the
오실레이타(203)는 소정 주기의 펄스를 발생하는 회로로서, 그 동작은 레벨 검출기(202)의 출력신호(enable)의 논리 레벨에 따라 결정된다. 당업자는 공지의 오실레이터중의 하나를 선택하여 본 발명의 백 바이어스 전압 발생기을 구현할 수 있을 것이다.The
백바이어스 펌프(204)는 오실레이타(203)로부터 발생되는 소정 주기의 펄스 를 수신하여 네거티브 전압인 백바이어스 전압(VBB)을 출력하는 펌프 회로이다. 전술한 바와같이, 백바이어스 전압(VBB)은 레벨 검출기(202)에 인가된다. 당업자는 공지의 백바이어스 펌프중의 하나를 선택하여 본 발명의 백 바이어스 전압 발생기에 적용할 수 있을 것이다. 주지된 바와같이, 백바이어스 펌프(204)로부터 발생된 백바이어스 전압(VBB)은 반도체 장치에 집적되는 트랜지스터의 백 바이어스 전압으로 사용된다. The
동작에 있어서, 주변 온도의 상승하는 경우, 기준전압 발생기(201)로부터 발생하는 기준전압(Vr)이 증가한다. 기준전압(Vr)이 증가하면, 레벨 검출기(202)는 오실레이타(203)를 구동하기 위한 논리 레벨을 갖는 신호를 출력한다. 따라서, 오실레이타(203)는 소정 주기의 펄스를 발생하여 이를 백바이어스 펌프(204)에 인 가한다. 그 결과, 백바이어스 펌프(204)로부터 출력되는 백바이어스 전압(VBB)은 더욱 더 마이너스 전압이 된다. 즉, 백바이어스 전압(VBB)의 절대치가 증가한다. 다시 표현하면, 주변 온도가 상승하는 경우, 백바이어스 전압(VBB)의 절대치도 증가한다. In operation, when the ambient temperature rises, the reference voltage Vr generated from the
NMOS 트랜지스터의 경우, 온도가 증가함에 따라 VText와 VTsat은 감소하는 경향을 가진다. 온도가 증가함에 따라 VText가 감소하는 현상은 대체로 진성 캐리어 밀도가 온도의 증가에 따라 증가하기 때문이다. 그리고, 온도가 증가함에 따라 VTsat가 감소하는 현상은 subthreshold 전류의 대부분을 차지하는 확산전류가 온도의 증가에 따라 증가하기 때문이다. 이들 각 문턱전압의 온도에 따른 기술기는 메커니즘에 차이에 따라 서로 다를 수는 있지만, 온도가 증가함에 따라 문턱전압이 감소한다는 사실은 동일하다. For NMOS transistors, VText and VTsat tend to decrease as the temperature increases. VText decreases with increasing temperature, since intrinsic carrier density increases with increasing temperature. VTsat decreases with increasing temperature because the diffusion current, which accounts for most of the subthreshold current, increases with increasing temperature. Although the descriptors according to the temperature of each of these threshold voltages may be different depending on the mechanism, the fact that the threshold voltage decreases with increasing temperature is the same.
도 2b는 도 2a의 기준전압 발생기의 일 실시예이다.FIG. 2B is an embodiment of the reference voltage generator of FIG. 2A.
도시된 바와같이, 도 2b의 실시예는 기준전압 발생부(20, 21)와 전압 증폭부(22)를 구비한다. As shown, the embodiment of FIG. 2B includes
기준전압 발생부(20)는 온도와 무관하게 안정된 전압(vr1)을 출력하는 종래의 기준전압 발생부와 동일하며, 이러한 회로는 다양한 구성으로 당업자에게 공지되어 있다. The
다음, 기준전압 발생부(21)는 기준전압 발생부(20)에서 출력된 기준전압(vr1)을 수신하여 또 다른 기준전압(vr2)를 생성하는 회로로, 전원전압과 접지사이에 직렬 연결되는 저항(R1)과, 트랜지스터(P1, N1)와, 저항(R2)으로 구성된다. 트 랜지스터(P1)는 PMOS 트랜지스터이며, 트랜지스터(N1)는 NMOS 트랜지스터이나, 당업자는 필요에 따라서 다른 구성으로 대체할 수 있다. 기준전압(vr1)은 PMOS 트랜지스터(P1)의 게이트에 인가되며, NMOS 트랜지스터(N1)의 게이트와 드레인은 상호 연결되어 저항 기능을 갖고 있으며, 기준전압 발생부(21)의 출력인 기준전압(vr2)은 NMOS 트랜지스터(N1)의 드레인 단자로부터 인출된다. Next, the
기준전압 발생부(21)는 단순히 저항과 트랜지스터를 직렬 연결하여 구성하였으므로 기준전압 발생부(20)의 경우와 달리 주변 온도의 영향에 의하여 출력 전압(vr2)의 전압 레벨이 변하게 된다. 이러한 온도 의존성 기준전압 발생기는 당업자는 다양하게 구현할 수 있으며, 본 발명에서는 단순히 일예로 제안하고 있을 뿐이다.Since the
온도 의존형 기준전압 발생부(21)로부터 출력된 기준전압(vr2)은 내부 전압을 출력하기 위한 전압 증폭부(22)에 인가된다. 도시된 바와같이, 전압 증폭부(22)는 차동증폭기(P2, P3, N2, N3, N4)와 구동부(P4)와 전압 분배부(N5, N6)로 구성된다. 차동증폭기는 기준전압(vr2)과 전압 분배부의 출력 전압을 비교 증폭하여 기준전압(Vr)를 생성한다. 종래 기술에서 설명한 바와같이, 기준전압(Vr)은 오실레이타의 구동 전압으로 사용된다. The reference voltage vr2 output from the temperature dependent
도 2b의 실시예의 경우, 기준전압(vr2)은 온도에 따라 변하는 특성을 갖고 있기 때문에 온도가 변하는 경우 전압 증폭부(22)의 출력전압인 기준전압(Vr)도 온도에 따라 변하는 특성을 갖게 된다. In the embodiment of FIG. 2B, since the reference voltage vr2 has a characteristic that varies with temperature, when the temperature changes, the reference voltage Vr, which is an output voltage of the
도 2b의 실시예의 온도 특성 그래프는 도 2c에 도시하였다. The temperature characteristic graph of the embodiment of FIG. 2B is shown in FIG. 2C.
도 2c에서 알 수 있듯이, 온도 특성에 둔감한 기준전압(vr1)은 대략 -20℃에서 대략 90℃의 온도 변화와 무관하게 대략 0.7V를 유지하고 있음을 알 수 있다. 반면에, 기준전압(vr2)은 온도가 증가함에 따라 점점 감소하고 있음을 알 수 있다.As can be seen in FIG. 2C, it can be seen that the reference voltage vr1, which is insensitive to temperature characteristics, maintains about 0.7 V regardless of a temperature change of about −20 ° C. to about 90 ° C. FIG. On the other hand, it can be seen that the reference voltage vr2 is gradually decreasing with increasing temperature.
이러한 이유로 인하여, 기준전압(vr2)을 이용하는 본원 발명의 경우 온도의 변화에 따라 기준전압(Vr)이 그래프와 같이 일정한 기울기로 증가하고 있음을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 기준전압 발생기의 출력 전압(Vr)은 온도의 변화에 따라 변하는 특성을 갖고 있음을 알 수 있다. For this reason, it can be seen that in the case of the present invention using the reference voltage vr2, the reference voltage Vr increases with a constant slope as shown in the graph as the temperature changes. That is, it can be seen that the output voltage (Vr) of the reference voltage generator of the present invention has a characteristic that changes with the change of temperature.
도 3a는 온도에 따른 VText와 VTsat의 변화를 도시한 것이다. 3A shows the change of VText and VTsat with temperature.
도 3a에서 알 수 있듯이, 온도감소에 따라 증가하는 경향이 있는 VText(302)에 의하여 동작 온도의 하한값(305)가 결정되고, 온도 증가에 따라 감소하는 경향이 있는 VTsat(304)에 의하여 동작 온도의 상한값(306)이 결정되어, 트랜지스터의 허용 동작 온도 범위(307)가 정해진다. As can be seen in FIG. 3A, the
도 3b는 본 발명에 따른 백바이어스 전압이 인가되는 경우에 있어서, 온도 변화에 따른 트랜지스터의 문턱전압의 변화를 도시한다. 3B illustrates a change in the threshold voltage of a transistor according to temperature change when a back bias voltage according to the present invention is applied.
도 3b에서 알 수 있듯이, 온도 변화가 보상되지 않았던 종전의 VText(302)가 온도변화가 보상된 VText(309)와 같이 변함에 따라 동작 온도의 하한값은 (305)에서 (312)로 변함을 알 수 있다. 또한, 온도 변화가 보상되지 않았던 종전의 VTsat(304)가 온도 변화가 보상된 VTsat(310)과 같이 변함에 따라 동작 온도의 상한값은 (306)에서 (311)과 같이 변하게 됨을 알 수 있다. 결과적으로, 온도 변화가 보상됨에 따라 허용 동작 온도 범위는 (307)에서 (313)으로 넓어지게 된다. As can be seen in FIG. 3B, it can be seen that the lower limit of the operating temperature changes from (305) to (312) as the
도 3b에서, (308)은 기준온도를 나타낸다. 이 기준온도는 온도 보상 백 바이어스 발생장치의 사용 전후에 그 백바이어스값이 일정하게 유지되는 온도를 의미한다. 기준온도는 도 3b에서 알 수 있듯이, 상한값과 하한값의 중간 지점에 위치한다. 기준온도를 상온(27℃)으로 정하는 경우 온도 변화를 보상하는 백바이어스는 다음과 같은 식으로 표시된다. In FIG. 3B, 308 represents the reference temperature. This reference temperature means a temperature at which the back bias value is kept constant before and after use of the temperature compensated back bias generator. The reference temperature is located at the midpoint between the upper limit and the lower limit, as can be seen in Figure 3b. When the reference temperature is set to room temperature (27 ° C), the back bias for compensating for the temperature change is expressed as follows.
VBB(T)=VBBnorm + B*{(T/300)-1} VBB (T) = VBBnorm + B * {(T / 300) -1}
여기서, VBBnorm은 상온에서의 백바이어스 전압을 나타내고, B는 온도보상 계수를 나타내고, T는 캘빈 온도이다. VBB(T)는 네거티브 값을 가지며, 온도 증가시 VBB(T)의 절대치가 증가하여야 하므로 B는 음수이다. 특히, 온도보상계수(B)를 적절히 선택하여 온도변화에 둔감한 문턱전압을 갖는 트랜지스터를 구현할 수 있다. Here, VBBnorm represents the back bias voltage at room temperature, B represents the temperature compensation coefficient, and T is the Kelvin temperature. VBB (T) has a negative value and B is negative because the absolute value of VBB (T) must increase when the temperature increases. In particular, by properly selecting the temperature compensation coefficient (B) it can be implemented a transistor having a threshold voltage insensitive to temperature changes.
도 3c는 기준온도를 온도 상한값(306)으로 정한 경우의 문턱전압의 온도 보상을 도시한다. 이 경우, 온도의 상한값은 더 이상 변하지 않으나, 온도의 하한값은 도 3b의 경우보다 더 개선됨을 알 수 있다. 3C shows the temperature compensation of the threshold voltage when the reference temperature is defined as the
도 3d는 기준온도를 온도 하한값(305)으로 정한 경우의 문턱전압의 온도 보상을 도시한다. 이 경우, 온도의 하한값은 더 이상 변하지 않으나, 온도의 상한값은 도 3b의 경우보다 더 개선됨을 알 수 있다. 3D shows the temperature compensation of the threshold voltage when the reference temperature is determined by the
이와같이, 기준온도를 어떻게 정하는 가에 따라 온도의 상한값 개선과 하한값 개선의 폭이 달라지게 됨을 알 수 있다. In this way, it can be seen that the extent of improvement of the upper limit value and the lower limit value of the temperature varies depending on how the reference temperature is determined.
도 4은 본 발명에서 제안한 회로를 이용한 실험 결과이다. 4 is an experimental result using the circuit proposed in the present invention.
도 4에서, VText 와 VTsat는 모두 문턱전압을 나타내며, VText는 external VT를 나타내고, VTsat는 saturation VT를 나타낸다. In FIG. 4, both VText and VTsat represent threshold voltages, VText represents external VTs, and VTsat represents saturation VTs.
실험에서 사용된 VText 및 VTsat의 온도에 관한 관계식은 "Device Electronics for Integrated Circuits, second Edition" (저자: R.S. Muller & T.I.Kamins, 1986)에 기재된 수식을 활용하였다. 또한, 온도보상계수(B)는 2.98을 사용하였으나, 이 값은 트랜지스터의 구조나 프로세스 조건에 따라 가변시킬 수 있다. The relation regarding the temperature of VText and VTsat used in the experiment utilized the formula described in "Device Electronics for Integrated Circuits, second Edition" (author: R.S. Muller & T.I.Kamins, 1986). In addition, although the temperature compensation coefficient B was 2.98, this value can be changed according to the structure or process conditions of the transistor.
도 4의 실험결과에서 알 수 있듯이, 종래의 경우에는 트랜지스터의 턴온 특성을 결정짓는 VText가 온도 하강시에 증가하는 모습을 보이고 있다. 그런데, VText가 증가할수록 트랜지스터의 턴온 전류가 감소하게 되므로, 종래의 경우에는 이러한 트랜지스터를 메모리 셀 트랜지스터로 사용하는 경우, 낮은 온도에서 tWR 페일 비트(tWR fail bit)가 증가하게 될 것이다. As can be seen from the experimental results of FIG. 4, in the conventional case, VText, which determines the turn-on characteristic of the transistor, increases when the temperature falls. However, as VText increases, the turn-on current of the transistor decreases. Therefore, in the conventional case, when the transistor is used as a memory cell transistor, the tWR fail bit will increase at a low temperature.
반면에, 본 발명의 경우, 온도의 변화와 무관하게 VText 특성이 거의 일정함을 알 수 있다. On the other hand, in the case of the present invention, it can be seen that the VText characteristic is almost constant regardless of the change in temperature.
한편, 도시된 바와같이, 트랜지스터의 턴오프 특성을 결정짓는 VTsat이 경우, subthreshold 영역의 확산 전류(diffusion current)가 온도 변화에 따라 매우 민감하게 변하므로, 온도의 변화에 둔감한 VTsat 특성을 얻기가 어렵다. 그러나, VTsat의 경우에도 본 발명의 회로를 적용하는 경우, 고온에서 VTsat가 조금 증가하고 기울기가 완만함을 알 수 있다. VTsat 가 증가하는 경우, 턴오프 상태에 있는 트랜지스터의 누설전류가 줄어든다. 따라서, 누설전류가 감소한 트랜지스터를 휘 발성 메모리 장치의 셀 트랜지스터로 사용하는 경우, 리프레쉬 특성을 개선할 수 있다.On the other hand, as shown, in the case of the VTsat that determines the turn-off characteristics of the transistor, the diffusion current (diffusion) of the subthreshold region is very sensitive to changes in temperature, it is difficult to obtain the VTsat characteristics insensitive to changes in temperature it's difficult. However, even in the case of VTsat, when the circuit of the present invention is applied, it can be seen that the VTsat slightly increases and the slope is gentle at high temperatures. As VTsat increases, the leakage current of the transistors in the turn-off state decreases. Therefore, when the transistor with reduced leakage current is used as the cell transistor of the volatile memory device, the refresh characteristics can be improved.
지금까지 설명한 본 발명의 백바이어스 전압 발생기는 모든 반도체 장치에 적용할 수 있다. 예컨대, 휘발성 메모리 장치의 셀 어레이와 그 주변 회로에 집적되는 트랜지스터들에 대하여 본 발명의 백바이어스 전압 발생기에서 출력되는 백바이어스 전압을 인가하여 안정된 문턱전압을 갖는 트랜지스터들을 구현할 수 있다. 여기서, 백바이어스 전압은 NMOS 트랜지스터들의 웰 바이어스 전압으로 사용된다. The back bias voltage generator of the present invention described so far can be applied to all semiconductor devices. For example, a transistor having a stable threshold voltage may be implemented by applying a back bias voltage output from the back bias voltage generator of the present invention to transistors integrated in a cell array of a volatile memory device and a peripheral circuit thereof. Here, the back bias voltage is used as the well bias voltage of the NMOS transistors.
한편, 본원의 기술적 사상은 PMOS 트랜지스터에도 동일하게 적용될 수 있다. Meanwhile, the technical idea of the present application may be equally applied to a PMOS transistor.
즉, PMOS 트랜지스터의 웰 바이어스 전압으로 인가되는 고전압(VPP)을 온도의 상승에 따라 적절한 비율로 증가시키는 고전압 발생기를 제공함으로써 안정된 문턱전압을 갖는 PMOS 트랜지스터를 제공할 수 있다. 고전압을 발생하는 것을 제외하고는 고전압 발생기의 기본 구조는 도 2의 백바이어스 전압 발생기와 동일하다. 그러나, NMOS 트랜지스터의 경우와 달리, PMOS 트랜지스터의 웰 바이어스 전압으로 사용되는 고전압(VPP)은 소오스 전압으로도 사용되므로 PMOS 트랜지스터의 동작 특성을 고려할 필요가 있다.That is, the PMOS transistor having a stable threshold voltage can be provided by providing a high voltage generator that increases the high voltage VPP applied as the well bias voltage of the PMOS transistor at an appropriate ratio as the temperature increases. Except for generating a high voltage, the basic structure of the high voltage generator is the same as the back bias voltage generator of FIG. However, unlike the case of the NMOS transistor, since the high voltage (VPP) used as the well bias voltage of the PMOS transistor is also used as the source voltage, it is necessary to consider the operating characteristics of the PMOS transistor.
일반적으로, PMOS 트랜지스터의 경우, 온도가 증가하면 문턱전압의 감소로 턴온전류가 감소하는 요인이 있기는 하다. 그러나, 온도가 증가하는 경우, 문턱전압의 감소효과보다는 캐리어의 이동도(mobility) 감소로 인한 턴온 전류의 감소 요인 효과가 더욱 크다. 결과적으로, 온도가 상승하는 경우, PMOS 트랜지스터의 턴온 전류는 감소하게 된다. 그러나, 이 경우(온도가 상승하는 경우), PMOS 트랜지 스터의 웰 바이어스 전압 및 소오스 전압으로 사용되는 고전압(VPP)을 증가시켜 PMOS 트랜지스터의 소오스-드레인간 전압차를 증가시키면 PMOS 트랜지스터의 턴온 전류를 증가시킬 수 있다. 따라서, 온도가 상승하여 PMOS 트랜지스터의 캐리어의 이동도가 낮아지는 경우에도 고전압을 증가시켜 PMOS 트랜지스터의 동작 특성을 안정화시킬 수 있다. In general, in the case of PMOS transistors, there is a factor in that the turn-on current decreases as the threshold voltage decreases as the temperature increases. However, when the temperature increases, the effect of reducing the turn-on current due to the decrease in the mobility of the carrier is greater than the effect of reducing the threshold voltage. As a result, when the temperature rises, the turn-on current of the PMOS transistor decreases. However, in this case (when the temperature rises), increasing the source-drain voltage difference of the PMOS transistor by increasing the well bias voltage and the high voltage (VPP) used as the source voltage of the PMOS transistor increases the turn-on current of the PMOS transistor. Can be increased. Therefore, even when the temperature rises and the mobility of the carrier of the PMOS transistor decreases, the high voltage can be increased to stabilize the operation characteristics of the PMOS transistor.
이상에서 설명한 바와같이, 반도체 장치의 고집적화로 인하여 반도체 장치내에 집적되는 트랜지스터의 폭은 감소하고, 길이는 줄어들고 있다. 그러나, short channel effect를 방지하기 위하여 트랜지스터의 문턱 전압(Vt)은 일정 수준 이상으로 유지할 필요가 있었다. As described above, due to the high integration of the semiconductor device, the width of the transistor integrated in the semiconductor device is reduced and the length is reduced. However, in order to prevent the short channel effect, it is necessary to keep the threshold voltage Vt of the transistor above a certain level.
종래의 경우, 온도 변화로 인하여 문턱전압이 상승하는 경우, 턴온 상태의 트랜지스터에 인가되는 전류의 양이 감소하는 문제점이 있었다. 또한, 온도 변화로 인하여 문턱전압이 하강하는 경우, 턴오프 상태를 유지해야 하는 트랜지스터의 누설 전류가 증가하는 문제점이 있었다. In the related art, when the threshold voltage increases due to temperature change, there is a problem in that the amount of current applied to the transistor in the turned-on state decreases. In addition, when the threshold voltage is lowered due to the temperature change, there is a problem in that the leakage current of the transistor to maintain the turn-off state increases.
본 발명에서는 웰 바이어스 전압 발생기를 제공하여 문턱전압의 온도 변화를 상쇄시킴으로써 온도 변화에 둔감한 트랜지스터의 동작을 가능하게 함을 알 수 잇다. In the present invention, it can be seen that the operation of the transistor insensitive to the temperature change is provided by providing a well bias voltage generator to cancel the temperature change of the threshold voltage.
이상에서 알 수 있는 바와같이, 본 발명은 고집적 반도체 장치에 집적되는 트랜지스터의 동작을 안정시킬 수 있는 웰 바이어스 전압 발생기에 관하여 설명하고 있다. As can be seen from the above, the present invention describes a well bias voltage generator capable of stabilizing the operation of a transistor integrated in a highly integrated semiconductor device.
본 발명은 반도체 장치, 특히 휘발성 메모리 장치의 셀 어레이 및 그 주변회로에 적용할 수 있다. The present invention can be applied to a cell array of a semiconductor device, particularly a volatile memory device, and a peripheral circuit thereof.
특히, 메모리 장치의 주변 회로에 적용함으로써, 저전압 동작시 문제가 되는 NMOS 및 PMOS 트랜지스터의 ZTC(zero temperature coefficient) 차이에 의한 온도 특성 미스매치 현상도 크게 완화할 수 있다. In particular, by applying to the peripheral circuit of the memory device, it is also possible to greatly mitigate the temperature characteristic mismatch phenomenon caused by the difference in the zero temperature coefficient (ZTC) of the NMOS and PMOS transistors that are a problem in low-voltage operation.
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