JP2007294846A - 基準電圧発生回路及びそれを用いた電源装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】基準電圧発生回路の基準電圧Vrefの経時変化を低減する。
【解決手段】Nチャネル型MOSFETQ1,Q2は同じ構造をもち、ともにフローティングゲート及びコントロールゲートをもち、初期しきい値電圧はエンハンスメント側である。MOSFETQ1,Q2はともにフローティングゲートにホールが注入されており、MOSFETQ1はデプレッション型にされ、MOSFETQ2はMOSFETQ1よりも少ない量のホールが注入されてエンハンスメント型にされている。MOSFETQ1の定電流性を利用し、MOSFETQ2をその定電流で動作させ、MOSFETQ2に発生する電圧を基準電圧として取り出す。
【選択図】図2
【解決手段】Nチャネル型MOSFETQ1,Q2は同じ構造をもち、ともにフローティングゲート及びコントロールゲートをもち、初期しきい値電圧はエンハンスメント側である。MOSFETQ1,Q2はともにフローティングゲートにホールが注入されており、MOSFETQ1はデプレッション型にされ、MOSFETQ2はMOSFETQ1よりも少ない量のホールが注入されてエンハンスメント型にされている。MOSFETQ1の定電流性を利用し、MOSFETQ2をその定電流で動作させ、MOSFETQ2に発生する電圧を基準電圧として取り出す。
【選択図】図2
Description
本発明は単独で又は他の半導体装置に組み込まれるMOS型、CMOS型又はオペアンプ型の基準電圧発生回路と、その基準電圧発生回路を利用した装置の一例としての電源装置に関するものである。この電源装置は例えば携帯電話など小型機器の電源装置として利用するのに適するものである。
ゲートとソースを接続したデプレッション型MOSFET(電界効果トランジスタ)を定電流源とする基準電圧発生回路が知られている(例えば特許文献1を参照。)。そこでは、図11(A)に示されるように、デプレッション型MOSFETQ21のゲートとソースを接続してその定電流性を利用する。そして、ゲートとドレインが接続されたエンハンスメント型MOSFETQ22をその定電流で動作するように直列に接続して、MOSFETQ22に発生する電圧を基準電圧として取り出すものである。ここでは、いずれのMOSFETQ21,Q22もNチャネル型である。基準電圧Vrefとしては、MOSFETQ21のしきい値電圧Vt_dとMOSFETQ22のしきい値電圧Vt_eの差分が出力される。
図11(B)にMOSFETQ21,Q22のVgs対(Ids)1/2波形(ただし、ドレイン電圧は飽和条件とする)を示す。ただし、MOSFETQ21,Q22のコンダクタンスファクタ(K)は同一とする。Vgsはゲートとソース間の電圧、Idsはドレイン電流である。
MOSFETQ21はVgsが0Vで固定されているため、その波形からIconstなる定電流を流す。したがって、Ids=IconstとなるMOSFETQ22のVgsがVrefとなる。ゆえに、
Vref = Vt_e − Vt_d
となり、Vrefが2つのMOSFETQ21,Q22のしきい値電圧Vt_e,Vt_dの差分で表わされることがわかる。ここでVt_dはデプレッションタイプであるため負の値をとり、
Vref = |Vt_e| + |Vt_d|
と同義である。
MOSFETQ21はVgsが0Vで固定されているため、その波形からIconstなる定電流を流す。したがって、Ids=IconstとなるMOSFETQ22のVgsがVrefとなる。ゆえに、
Vref = Vt_e − Vt_d
となり、Vrefが2つのMOSFETQ21,Q22のしきい値電圧Vt_e,Vt_dの差分で表わされることがわかる。ここでVt_dはデプレッションタイプであるため負の値をとり、
Vref = |Vt_e| + |Vt_d|
と同義である。
基準電圧発生回路の他の例として、図12(A)に1個のデプレッション型MOSFETQ23と、互いに異なるしきい値電圧をもつ2個のエンハンスメント型MOSFETQ24,Q25とからなる3トランジスタ型の基準電圧発生回路を示す。MOSFETQ23は図11(A)におけるMOSFETQ21と同じく、ゲートとソースを接続した定電流源である。MOSFETQ24,Q25では、MOSFETQ24の方がしきい値電圧が低く、MOSFETQ24のしきい値電圧をVt_el、MOSFETQ25のしきい値電圧をVt_ehとする。基準電圧VrefとしてはMOSFETQ24,Q25のしきい値電圧の差分が出力される。
図12(B)にMOSFETQ23,Q24,Q25のVgs対(Ids)1/2波形を示す。この場合も、ドレイン電圧は飽和条件で、MOSFETQ23,Q24,Q25のコンダクタンスファクタ(K)は同一とする。MOSFETQ23はVgsが0Vで固定されているため、図12(B)のMOSFETQ23の波形からIconstなる定電流を流す。したがって、Ids=IconstとなるMOSFETQ24,Q25のVgsがそれぞれVo24,Vo25となる。Vrefはこの差分で表わされるので
Vref = Vo25 − Vo24
= Vt_eh − Vt_el
となり、Vrefが2つのMOSFETのしきい値電圧の差分で表わされることがわかる。
Vref = Vo25 − Vo24
= Vt_eh − Vt_el
となり、Vrefが2つのMOSFETのしきい値電圧の差分で表わされることがわかる。
また、このような基準電圧発生回路をフローティングゲートとコントロールゲートを備えたMOSFETで構成した回路がある(例えば特許文献2を参照。)。特許文献2では2個のNチャネル型MOSFETが直列に接続されており、一方にはフローティングゲートにホールを注入してデプレッション型とし、他方にはフローティングゲートに電子を注入してエンハンスメント型とすることにより、両MOSFETのしきい値電圧を異ならせている。
また、フローティングゲートとコントロールゲートを備えたMOSFETを備えた基準電圧発生回路として、オペアンプ型のものが知られている(例えば特許文献3を参照。)。特許文献3には、2個のMOSFETを一対として差動入力段にもち、出力端子を負の入力端子に接続してなるオペアンプで構成され、一対のMOSFETのうち一方をフローティングゲートとコントロールゲートをもつ構造とし、そのフローティングゲートに電荷を注入して両MOSFETのしきい値電圧を互いに異ならせ、しきい値電圧の差分をオフセット電圧として発生させる基準電圧発生回路が開示されている。
特公平4−65546号公報
特開2002−368107号公報
特開平5−119859号公報
基準電圧発生回路にフローティングゲートとコントロールゲートを備えたMOSFETを適用する場合、経時変化によりフローティングゲートにおける電荷の放出や増加によってしきい値電圧が変化し、基準電圧発生回路の出力電圧も変化することがわかった。
そこで本発明は、フローティングゲートを備えたMOSFETをもつ基準電圧発生回路において、MOSFETのしきい値電圧、すなわち出力される基準電圧Vrefの経時変化を低減することができる基準電圧発生回路及びその基準電圧発生回路を備えた電源装置を提供することを目的とするものである。
本発明にかかる基準電圧発生回路は、MOSFETを2個以上直列又は2個並列に接続し、それらのMOSFETのしきい値電圧の差分によって基準電圧を発生する基準電圧発生回路であって、上記MOSFETのうち少なくとも1個はフローティングゲートとコントロールゲートを備え、上記フローティングゲートはホールリッチな状態又はUV消去された状態であるものである。
本願特許請求の範囲及び本明細書において、ホールリッチな状態とはフローティングゲートに電荷のない状態(UV消去された状態)に比べてホール(正孔)が注入されている状態をいう。また、エレクトロンリッチな状態とはフローティングゲートに電荷のない状態に比べてエレクトロン(電子)が注入されている状態をいう。
本願特許請求の範囲及び本明細書において、ホールリッチな状態とはフローティングゲートに電荷のない状態(UV消去された状態)に比べてホール(正孔)が注入されている状態をいう。また、エレクトロンリッチな状態とはフローティングゲートに電荷のない状態に比べてエレクトロン(電子)が注入されている状態をいう。
本発明者らは、フローティングゲートをホールリッチな状態にすることにより、エレクトロンリッチな状態に比べてリテンション特性(電荷保持特性)を向上させることができることを見出した。
図1はフローティングゲートを備えたMOSFETのリテンション特性を調べた結果を示すグラフであり、縦軸はしきい値電圧(単位はV(ボルト))、横軸は経過時間(単位はh(時間))を示す。サンプルは、紫外線照射によりフローティングゲートに電荷がない状態のしきい値電圧(初期しきい値電圧という)が0VのNチャネル型MOSFETを用いた。フローティングゲートへの不純物導入は、リン(P)イオン注入によって行い、そのエネルギーを15KeVと20KeVとしたものを用意し、ホール注入(エレクトロンの引き抜き)によりフローティングゲートをホールリッチな状態にしたもの(しきい値電圧が−1.0V近傍)と、エレクトロン注入によりエレクトロンリッチな状態にしたもの(しきい値電圧が7.0V近傍)を形成した。さらに、電荷注入後に250度で加熱処理をした。参照例として、チャネルドープ注入を15KeVでしたものであって注入後に加熱処理をしなかったもの(図中、Refで示す。)も示す。
図1からわかるように、まずRefは加熱処理を行っていないため、ほとんどしきい値変動がない。
フローティングゲートをホールリッチな状態にしたサンプルはエレクトロンリッチな状態にしたサンプルに比べてリテンション特性が良好で、Refと同程度であることがわかる。
図1はフローティングゲートを備えたMOSFETのリテンション特性を調べた結果を示すグラフであり、縦軸はしきい値電圧(単位はV(ボルト))、横軸は経過時間(単位はh(時間))を示す。サンプルは、紫外線照射によりフローティングゲートに電荷がない状態のしきい値電圧(初期しきい値電圧という)が0VのNチャネル型MOSFETを用いた。フローティングゲートへの不純物導入は、リン(P)イオン注入によって行い、そのエネルギーを15KeVと20KeVとしたものを用意し、ホール注入(エレクトロンの引き抜き)によりフローティングゲートをホールリッチな状態にしたもの(しきい値電圧が−1.0V近傍)と、エレクトロン注入によりエレクトロンリッチな状態にしたもの(しきい値電圧が7.0V近傍)を形成した。さらに、電荷注入後に250度で加熱処理をした。参照例として、チャネルドープ注入を15KeVでしたものであって注入後に加熱処理をしなかったもの(図中、Refで示す。)も示す。
図1からわかるように、まずRefは加熱処理を行っていないため、ほとんどしきい値変動がない。
フローティングゲートをホールリッチな状態にしたサンプルはエレクトロンリッチな状態にしたサンプルに比べてリテンション特性が良好で、Refと同程度であることがわかる。
また、フローティングゲートをもつ同じ構造のMOSFETを512個(32行×16列)配列し、全てのMOSFETについてフローティングゲートをホールリッチな状態にして所定のしきい値電圧に設定した後、加熱処理(250℃、24時間)後のしきい値電圧を測定し、隣り合うMOSFETの加熱処理後のしきい値電圧の差分の標準偏差σを求めた。形成したMOSFETは、初期しきい値電圧平均が−0.3V、ホール注入後のしきい値電圧が−2.0Vになるように設定した。3つのサンプルについて調べた所、標準偏差σが1.0mV、1.6mV、2.2mVという結果が得られた。
上記の結果から、本発明の基準電圧発生回路において、2個以上直列又は2個並列に接続された上記MOSFETの全部が上記フローティングゲートと上記コントロールゲートを備えており、それらのフローティングゲートをホールリッチな状態にすることにより、2個のMOSFETのしきい値差の経時変化が極めて少なく、かつ、注入により初期ばらつきをキャンセルすることもできるため、特性の良い基準電圧発生回路が提供できる。
また、初期しきい値から変動がないということで、基準電圧発生回路に使われるフローティングゲートをもつ同じ構造のMOSFETのうち少なくとも1つをUV消去された状態として使用してもよい。
また、本発明の基準電圧発生回路で複数のMOSFETがフローティングゲートを備えている場合、それらのフローティングゲートの電荷状態の組合せとして、全部のフローティングゲートがホールリッチな状態、ホールリッチな状態のフローティングゲートとUV消去された状態のフローティングゲートの混在、全部のフローティングゲートがUV消去された状態、を挙げることができる。
上記の結果から、本発明の基準電圧発生回路において、2個以上直列又は2個並列に接続された上記MOSFETの全部が上記フローティングゲートと上記コントロールゲートを備えており、それらのフローティングゲートをホールリッチな状態にすることにより、2個のMOSFETのしきい値差の経時変化が極めて少なく、かつ、注入により初期ばらつきをキャンセルすることもできるため、特性の良い基準電圧発生回路が提供できる。
また、初期しきい値から変動がないということで、基準電圧発生回路に使われるフローティングゲートをもつ同じ構造のMOSFETのうち少なくとも1つをUV消去された状態として使用してもよい。
また、本発明の基準電圧発生回路で複数のMOSFETがフローティングゲートを備えている場合、それらのフローティングゲートの電荷状態の組合せとして、全部のフローティングゲートがホールリッチな状態、ホールリッチな状態のフローティングゲートとUV消去された状態のフローティングゲートの混在、全部のフローティングゲートがUV消去された状態、を挙げることができる。
また、チャネルドープ量によってしきい値電圧の差分を決定している従来の方法では、複数のMOSFETでチャネルの不純物プロファイル(以下チャネルプロファイルという)が異なるため、しきい値電圧やモビリティーの温度特性も厳密には異なり、基準電圧Vrefの温度特性向上に限界がある。
そこで、本発明の基準電圧発生回路において、上記フローティングゲートと上記コントロールゲートを備えた上記MOSFETを複数個備え、それらのMOSFETはチャネルドープ量が等しいようにしてもよい。ここでチャネルドープ量にはチャネルドープ量が0、すなわちチャネルドープ注入がされていないことも含む。
そこで、本発明の基準電圧発生回路において、上記フローティングゲートと上記コントロールゲートを備えた上記MOSFETを複数個備え、それらのMOSFETはチャネルドープ量が等しいようにしてもよい。ここでチャネルドープ量にはチャネルドープ量が0、すなわちチャネルドープ注入がされていないことも含む。
本発明の基準電圧発生回路において、上記MOSFETはNチャネル型であり、初期しきい値電圧がエンハンスメント側である例を挙げることができる。
また、上記MOSFETはPチャネル型であり、初期しきい値電圧がデプレッション側である例を挙げることができる。
また、上記MOSFETはPチャネル型であり、初期しきい値電圧がデプレッション側である例を挙げることができる。
本発明の基準電圧発生回路の一例として、2個以上直列に接続された上記MOSFETのうち少なくとも1個はデプレッション型であり、そのゲートとソースが短絡されて定電流源となっている例を挙げることができる。
本発明の基準電圧発生回路の他の例として、2個並列に接続された上記MOSFETが差動入力段を構成し、出力端子が反転入力端子に接続されたオペアンプによって構成される例を挙げることができる。
本発明の電源装置は、供給する電源電圧を基準電圧と比較することによって電源電圧を検出する検出回路を備えたものであって、上記基準電圧を発生する回路として本発明の基準電圧発生回路を備えたものである。
本発明の基準電圧発生回路では、MOSFETを2個以上直列又は2個並列に接続し、それらのMOSFETのしきい値電圧の差分によって基準電圧を発生する基準電圧発生回路において、上記MOSFETのうち少なくとも1個はフローティングゲートとコントロールゲートを備え、上記フローティングゲートはホールリッチな状態又はUV消去された状態であるようにしたので、リテンション特性(電荷保持特性)を向上させることができ、MOSFETのしきい値電圧、すなわち出力される基準電圧Vrefの経時変化を低減することができる。
さらに、フローティングゲートとコントロールゲートを備えた素子であれば、フローティングゲートへのホール注入量によりしきい値電圧を設定することができので、素子完成後にしきい値電圧を設定することができ、Vref値の決定から製品納入までの期間が短くてすむ。
さらに、フローティングゲートとコントロールゲートを備えた素子であれば、フローティングゲートへのホール注入量によりしきい値電圧を設定することができので、素子完成後にしきい値電圧を設定することができ、Vref値の決定から製品納入までの期間が短くてすむ。
本発明の基準電圧発生回路において、2個以上直列又は2個並列に接続された上記MOSFETの全部がフローティングゲートとコントロールゲートを備えており、それらのフローティングゲートはホールリッチな状態又はUV消去された状態であるようにすれば、全部のMOSFETがしきい値電圧について同程度の経時変化特性をもつようになるので、基準電圧発生回路の出力Vrefの経時変化を低減することができる。
また、上記フローティングゲートと上記コントロールゲートを備えた上記MOSFETを複数個備え、それらのMOSFETはチャネルドープ量が等しいようにすれば、プロセスばらつきや温度に対する依存性を排除して高精度で安定した基準電圧発生回路とすることができる。
また、上記MOSFETとしてNチャネル型のものを用いる場合には、初期しきい値電圧がエンハンスメント側であるようにすれば、ホール注入により、エンハンスメント型にもデプレッション型にも設定できる。
また、上記MOSFETとしてPチャネル型のものを用いる場合には、初期しきい値電圧がデプレッション側であるようにすれば、ホール注入により、エンハンスメント型にもデプレッション型にも設定できる。
また、上記MOSFETとしてPチャネル型のものを用いる場合には、初期しきい値電圧がデプレッション側であるようにすれば、ホール注入により、エンハンスメント型にもデプレッション型にも設定できる。
本発明の基準電圧発生回路の一例として、2個以上直列に接続された上記MOSFETのうち少なくとも1個はデプレッション型であり、そのゲートとソースが短絡されて定電流源となっているようにすれば、上記MOSFETの接続点から基準電圧Vrefを出力する基準電圧発生回路を構築できる。
本発明の基準電圧発生回路の他の例として、2個並列に接続された上記MOSFETが差動入力段を構成し、出力端子が反転入力端子に接続されたオペアンプによって構成される基準電圧発生回路であるようにすれば、両MOSFETのしきい値電圧の差分をオフセット電圧、すなわち基準電圧Vrefとして出力する基準電圧発生回路を構築できる。
本発明の電源装置は、供給する電源電圧を基準電圧と比較することによって電源電圧を検出する検出回路を備えたものであって、上記基準電圧を発生する回路として本発明の基準電圧発生回路を備えているようにしたので、高精度で安定した基準電圧を使用することができ、性能の優れた電源装置となる。
図2は基準電圧発生回路の一実施例を示す図であり、(A)は回路図、(B)はこの実施例のVgs対(Ids)1/2波形(ただしドレイン電圧は飽和条件)を示す。
Q1,Q2はともにフローティングゲート及びコントロールゲートをもつNチャネル型MOSFETである。両MOSFETQ1,Q2は同じ構造をもち、ともにチャネルドープが施されていないか又はチャネルドープ量が等しく設定されて、チャネルプロファイルが等しく設定されている。MOSFETQ1,Q2の初期しきい値電圧(UV消去された状態のしきい値電圧)は例えば1.0Vであり、エンハンスメント側である。
Q1,Q2はともにフローティングゲート及びコントロールゲートをもつNチャネル型MOSFETである。両MOSFETQ1,Q2は同じ構造をもち、ともにチャネルドープが施されていないか又はチャネルドープ量が等しく設定されて、チャネルプロファイルが等しく設定されている。MOSFETQ1,Q2の初期しきい値電圧(UV消去された状態のしきい値電圧)は例えば1.0Vであり、エンハンスメント側である。
MOSFETQ1は、フローティングゲートにホールが注入されて例えばしきい値電圧が−0.3Vに設定されてデプレッション型になっている。MOSFETQ1のゲートとソースが接続されている。
MOSFETQ2は、フローティングゲートにMOSFETQ1よりも少ない量のホールが注入されて例えばしきい値電圧が0.8Vに設定されエンハンスメント型になっている。MOSFETQ2のゲートとドレインが接続されている。
MOSFETQ2は、フローティングゲートにMOSFETQ1よりも少ない量のホールが注入されて例えばしきい値電圧が0.8Vに設定されエンハンスメント型になっている。MOSFETQ2のゲートとドレインが接続されている。
MOSFETQ1のドレインは電源(Vcc)に接続され、MOSFETQ2のソースは接地され、MOSFETQ1のソースにMOSFETQ2のドレインが接続されて、電源電位、接地電位間にMOSFETQ1,Q2が直列に接続されている。これにより、MOSFETQ1の定電流性を利用し、MOSFETQ2をその定電流で動作させ、MOSFETQ2に発生する電圧を基準電圧として取り出す。
この実施例のVgs対(Ids)1/2波形は図2(B)のようになる。MOSFETQ1はVgsが0Vで固定されているため、MOSFETQ1の波形よりIconstなる定電流を流す。従ってIds=IconstとなるMOSFETQ2のVgsがVrefとなる。
この実施例では、MOSFETQ1,Q2のフローティングゲートがホールリッチな状態にされているので、MOSFETQ1,Q2のリテンション特性(電荷保持特性)を向上させることができ、MOSFETQ1,Q2のしきい値電圧、すなわち出力される基準電圧Vrefの経時変化を低減することができる。
さらに、MOSFETQ1,Q2はフローティングゲート及びコントロールゲートを備えているのでホール注入によってしきい値電圧を設定できるので、任意の基準電圧Vrefを得ることができる。つまり従来技術のようにウエハプロセスでイオン注入によってしきい値電圧を決定する必要がない。
さらに、2つのMOSFETQ1,Q2のチャネルプロファイルを含む構造を同一とすることができるので、ウエハプロセスでのばらつきや温度特性でのシフトが同一になり、出力電圧Vrefの安定した基準電圧発生回路を得ることができる。
上記の場合では、どちらのMOSFETもホールリッチな状態としたが、エンハンスメント型であるQ2をUV消去された状態として使用してもよい。
さらに、MOSFETQ1,Q2はフローティングゲート及びコントロールゲートを備えているのでホール注入によってしきい値電圧を設定できるので、任意の基準電圧Vrefを得ることができる。つまり従来技術のようにウエハプロセスでイオン注入によってしきい値電圧を決定する必要がない。
さらに、2つのMOSFETQ1,Q2のチャネルプロファイルを含む構造を同一とすることができるので、ウエハプロセスでのばらつきや温度特性でのシフトが同一になり、出力電圧Vrefの安定した基準電圧発生回路を得ることができる。
上記の場合では、どちらのMOSFETもホールリッチな状態としたが、エンハンスメント型であるQ2をUV消去された状態として使用してもよい。
図3は基準電圧発生回路の出力電圧Vrefの温度依存性を調べたシミュレーション結果を示すグラフである。(A)は本発明、(B)は従来例、(C)は従来例(B)のTypicalの詳細、(D)は従来例(B)のSlowの詳細、(E)は従来例(B)のFastの詳細をそれぞれ示す。縦軸は出力基準電圧(V)、横軸は温度(℃)を示す。
本発明のサンプルは図2に示した回路と同じであり、チャネル長が300μm(マイクロメートル)、チャネル幅が20μmで初期しきい値電圧が0.8VのNチャネル型MOSFETを用い、フローティングゲートへのホール注入によりしきい値電圧をデプレッション型MOSFETは−0.88V、エンハンスメント型MOSFETは0.8Vに設定し、回路の出力電圧Vrefが25℃で1.68Vになるように設定した。
従来例のサンプルは図11に示した回路と同じであり、デプレッション型MOSFETはチャネル長が200μm、チャネル幅が20μmでしきい値電圧が−0.5VのNチャネル型MOSFETを用い、エンハンスメント型MOSFETはチャネル長が65.4μm、チャネル幅が20μmでしきい値電圧が0.8VのNチャネル型MOSFETを用い、回路の出力電圧Vrefが25℃で 1.3Vになるように設定した。
また、図3において、Typicalは典型例、Fastは上方側への最大ズレ例、Slowは下方側への最大ズレ例を示す。
本発明のサンプルは図2に示した回路と同じであり、チャネル長が300μm(マイクロメートル)、チャネル幅が20μmで初期しきい値電圧が0.8VのNチャネル型MOSFETを用い、フローティングゲートへのホール注入によりしきい値電圧をデプレッション型MOSFETは−0.88V、エンハンスメント型MOSFETは0.8Vに設定し、回路の出力電圧Vrefが25℃で1.68Vになるように設定した。
従来例のサンプルは図11に示した回路と同じであり、デプレッション型MOSFETはチャネル長が200μm、チャネル幅が20μmでしきい値電圧が−0.5VのNチャネル型MOSFETを用い、エンハンスメント型MOSFETはチャネル長が65.4μm、チャネル幅が20μmでしきい値電圧が0.8VのNチャネル型MOSFETを用い、回路の出力電圧Vrefが25℃で 1.3Vになるように設定した。
また、図3において、Typicalは典型例、Fastは上方側への最大ズレ例、Slowは下方側への最大ズレ例を示す。
本発明(A)では、Typicalは0.28ppm(parts per million)/℃、Fastは0.35ppm/℃、Slowは0.22ppm/℃であった。
従来例(B)から(D)では、Typicalは10ppm/℃、Fastは35ppm/℃、Slowは45ppm/℃であった。
このように、ホールリッチなフローティングゲートをもつMOSFETにより構成した本発明の基準電圧発生回路によれば、温度依存性が小さい出力電圧(基準電圧)Vrefを得ることができる。
従来例(B)から(D)では、Typicalは10ppm/℃、Fastは35ppm/℃、Slowは45ppm/℃であった。
このように、ホールリッチなフローティングゲートをもつMOSFETにより構成した本発明の基準電圧発生回路によれば、温度依存性が小さい出力電圧(基準電圧)Vrefを得ることができる。
上記実施例ではMOSFETQ1,Q2はともにフローティングゲートをもつものであるが、いずれか一方がフローティングゲートを備え、そのフローティングゲートがホールリッチな状態にされていてもよい。ここで、デプレッション型MOSFETのみをフローティングゲートをもつMOSFETとする場合、初期しきい値電圧はデプレッション側であって、ホール注入により初期しきい値電圧よりも低いしきい値電圧をもつデプレッション型のNチャネル型MOSFETを用いるようにしてもよい。
図4は基準電圧発生回路の他の実施例を示す図であり、(A)は回路図、(B)はこの実施例のVgs対(Ids)1/2波形(ただしドレイン電圧は飽和条件)を示す。
MOSFETQ3,Q4,Q5はフローティングゲート及びコントロールゲートをもつNチャネル型トランジスタであり、チャネルドープが施されていないか又はチャネルドープ量が等しく設定されて、チャネルプロファイルが等しく設定されている。また、MOSFETQ3,Q4,Q5はゲート絶縁膜圧、チャネル長及びチャネル幅についても同じであり、同じ構造をもつ。
MOSFETQ3,Q4,Q5はフローティングゲート及びコントロールゲートをもつNチャネル型トランジスタであり、チャネルドープが施されていないか又はチャネルドープ量が等しく設定されて、チャネルプロファイルが等しく設定されている。また、MOSFETQ3,Q4,Q5はゲート絶縁膜圧、チャネル長及びチャネル幅についても同じであり、同じ構造をもつ。
MOSFETQ3はゲートとソースが接続され、ドレインが電源(Vcc)に接続されている。MOSFETQ4,Q5は直列に接続され、それらのゲートはMOSFETQ4のドレインに接続されている。MOSFETQ4のドレインはMOSFETQ3のソースに接続されている。MOSFETQ5のソースは接地されている。
MOSFETQ3,Q4,Q5は初期しきい値電圧がエンハンスメント側に設定されている。MOSFETQ3はホール注入によりデプレッション型に設定されている。MOSFETQ4はホール注入により初期しきい値電圧よりも低いしきい値電圧をもつエンハンスメント型に設定されている。MOSFETQ5はMOSFETQ4に注入したホール量よりも少なくホール注入されて、MOSFETQ4よりも高いしきい値電圧をもつエンハンスメント型に設定されている。
Vgs対(Ids)1/2波形(ただしドレイン電圧は飽和条件)は図4(B)のようになる。MOSFETQ3はVgsが0Vで固定されているため、MOSFETQ3の波形よりIconstなる定電流を流す。したがって、Ids=IconstとなるMOSFETQ4,Q5のVgsをそれぞれVo4,Vo5とするとVrefはこの差分(Vo5−Vo4)となる。
このように、図2の実施例の2個のトランジスタ構成の場合と同様に、MOSFETQ3,Q4,Q5はホール注入によって任意にしきい値電圧を設定することができるので、任意の基準電圧Vrefを得ることができる。
上記実施例ではMOSFETQ3,Q4,Q5はフローティングゲートをもつものであるが、いずれか1つがフローティングゲートを備え、そのフローティングゲートがホールリッチな状態にされていてもよい。ここで、デプレッション型MOSFETのみをフローティングゲートをもつMOSFETとする場合、初期しきい値電圧はデプレッション側であって、ホール注入により初期しきい値電圧よりも低いしきい値電圧をもつデプレッション型のNチャネル型MOSFETを用いるようにしてもよい。
図5は基準電圧発生回路のさらに他の実施例を示す図であり、(A)は回路図、(B)はこの実施例のVgs対(Ids)1/2波形(ただしドレイン電圧は飽和条件)を示す。
Q6,Q7はともにフローティングゲート及びコントロールゲートをもつPチャネル型MOSFETであり、両MOSFETQ6,Q7は同じ構造をもち、ともにチャネルドープが施されていないか又はチャネルドープ量が等しく設定されて、チャネルプロファイルが等しく設定されている。MOSFETQ6,Q7の初期しきい値電圧は例えば0.8Vであり、デプレッション側である。
Q6,Q7はともにフローティングゲート及びコントロールゲートをもつPチャネル型MOSFETであり、両MOSFETQ6,Q7は同じ構造をもち、ともにチャネルドープが施されていないか又はチャネルドープ量が等しく設定されて、チャネルプロファイルが等しく設定されている。MOSFETQ6,Q7の初期しきい値電圧は例えば0.8Vであり、デプレッション側である。
MOSFETQ6は、フローティングゲートにホールが注入されて例えばしきい値電圧が0.3Vに設定されてデプレッション型になっている。MOSFETQ6のゲートとソースが接続されている。
MOSFETQ7は、フローティングゲートにMOSFETQ6よりも多い量のホールが注入されて例えばしきい値電圧が−0.8Vに設定されエンハンスメント型になっている。MOSFETQ7のゲートとドレインが接続されている。
MOSFETQ7は、フローティングゲートにMOSFETQ6よりも多い量のホールが注入されて例えばしきい値電圧が−0.8Vに設定されエンハンスメント型になっている。MOSFETQ7のゲートとドレインが接続されている。
MOSFETQ6のドレインは電源(−Vcc)に接続され、MOSFETQ7のソースは接地され、MOSFETQ6のソースにMOSFETQ7のドレインが接続されて、電源電位、接地電位間にMOSFETQ6,Q7が直列に接続されている。これにより、MOSFETQ6の定電流性を利用し、MOSFETQ7をその定電流で動作させ、MOSFETQ7に発生する電圧を基準電圧として取り出す。
Vgs対(Ids)1/2波形(ただしドレイン電圧は飽和条件)は図5(B)のようになる。MOSFETQ6はVgsが0Vで固定されているため、MOSFETQ6の波形よりIconstなる定電流を流す。したがって、Ids=IconstとなるMOSFETQ7のVgsが取り出され、VrefはQ7のVgsとなる。
上記実施例ではMOSFETQ6,Q7はともにフローティングゲートをもつものであるが、いずれか一方がフローティングゲートを備え、そのフローティングゲートがホールリッチな状態にされていてもよい。ここで、エンハンスメント型MOSFETのみをフローティングゲートをもつMOSFETとする場合、初期しきい値電圧はエンハンスメント側であって、ホール注入により初期しきい値電圧よりも高いしきい値電圧をもつエンハンスメント型のPチャネル型MOSFETを用いるようにしてもよい。
図6は基準電圧発生回路のさらに他の実施例を示す図であり、(A)は回路図、(B)はこの実施例のVgs対(Ids)1/2波形(ただしドレイン電圧は飽和条件)を示す。
MOSFETQ8,Q9,Q10はフローティングゲート及びコントロールゲートをもつPチャネル型トランジスタであり、チャネルドープが施されていないか又はチャネルドープ量が等しく設定されて、チャネルプロファイルが等しく設定されている。また、MOSFETQ8,Q9,Q10はゲート絶縁膜圧、チャネル長及びチャネル幅についても同じであり、同じ構造をもつ。
MOSFETQ8,Q9,Q10はフローティングゲート及びコントロールゲートをもつPチャネル型トランジスタであり、チャネルドープが施されていないか又はチャネルドープ量が等しく設定されて、チャネルプロファイルが等しく設定されている。また、MOSFETQ8,Q9,Q10はゲート絶縁膜圧、チャネル長及びチャネル幅についても同じであり、同じ構造をもつ。
MOSFETQ8はゲートとソースが接続され、ドレインが電源(−Vcc)に接続されている。MOSFETQ9,Q10は直列に接続され、それらのゲートはMOSFETQ9のドレインに接続されている。MOSFETQ9のドレインはMOSFETQ8のソースに接続されている。MOSFETQ10のソースは接地されている。
MOSFETQ8,Q9,Q10は初期しきい値電圧がデプレッション側に設定されている。MOSFETQ8はホール注入により初期しきい値電圧よりも高いしきい値電圧をもつデプレッション型に設定されている。MOSFETQ9はホール注入によりエンハンスメント型に設定されている。MOSFETQ10はMOSFETQ9に注入したホール量よりも多くホール注入されて、MOSFETQ9よりも高いしきい値電圧をもつエンハンスメント型に設定されている。
Vgs対(Ids)1/2波形(ただしドレイン電圧は飽和条件)は図6(B)のようになる。MOSFETQ8はVgsが0Vで固定されているため、MOSFETQ8の波形よりIconstなる定電流を流す。したがって、Ids=IconstとなるMOSFETQ9,Q10のVgsをそれぞれVo9,Vo10とするとVrefはこの差分(Vo10−Vo9)となる。
この実施例でも、MOSFETQ8,Q9,Q10はホール注入によって任意にしきい値電圧を設定することができるので、任意の基準電圧Vrefを得ることができる。
この実施例でも、MOSFETQ8,Q9,Q10はホール注入によって任意にしきい値電圧を設定することができるので、任意の基準電圧Vrefを得ることができる。
上記実施例ではMOSFETQ8,Q9,Q10はフローティングゲートをもつものであるが、いずれか1つがフローティングゲートを備え、そのフローティングゲートがホールリッチな状態にされていてもよい。ここで、エンハンスメント型MOSFETのみをフローティングゲートをもつMOSFETとする場合、初期しきい値電圧はエンハンスメント側であって、ホール注入により初期しきい値電圧よりも(絶対値として)高いしきい値電圧をもつエンハンスメント型のPチャネル型MOSFETを用いるようにしてもよい。
これまでの説明図では、各トランジスタのソースと基板は短絡されているが、本発明はこれに限定するものではなく、基板は共通接地されていてもよい。
これまでの説明図では、各トランジスタのソースと基板は短絡されているが、本発明はこれに限定するものではなく、基板は共通接地されていてもよい。
図7は基準電圧発生回路のさらに他の実施例を示す回路図である。図8は図7に示す回路を簡略化して示す回路図である。
この実施例の基準電圧発生回路は、一対のNチャネル型MOSFETQ11,Q12を入力段としてもつオペアンプ2によって構成されている。MOSFETQ11,Q12は同じ構造をもち、フローティングゲートを備え、ともにチャネルドープが施されていないか又はチャネルドープ量が等しく設定されて、チャネルプロファイルが等しく設定されている。
この実施例の基準電圧発生回路は、一対のNチャネル型MOSFETQ11,Q12を入力段としてもつオペアンプ2によって構成されている。MOSFETQ11,Q12は同じ構造をもち、フローティングゲートを備え、ともにチャネルドープが施されていないか又はチャネルドープ量が等しく設定されて、チャネルプロファイルが等しく設定されている。
MOSFETQ11,Q12の初期しきい値電圧は例えば0.8Vであり、エンハンスメント側である。MOSFETQ11はフローティングゲートにホールが注入されて例えばしきい値電圧が−0.3Vに設定されている。MOSFETQ12は、フローティングゲートに例えばMOSFETQ11よりも少ない量のホールが注入されてしきい値電圧が0.3Vに設定されている。
Q13,Q14は例えばPチャネルMOSFETからなる一対の負荷トランジスタであり、カレントミラー回路を構成している。Q15は例えばNチャネルMOSFETからなる定電流源である。
MOSFETQ11〜Q15によって差動増幅回路が構成されている。MOSFETQ11のゲート電極が反転入力端子(−)、MOSFETQ12のゲート電極が非反転入力端子(+)を構成している。
MOSFETQ11〜Q15によって差動増幅回路が構成されている。MOSFETQ11のゲート電極が反転入力端子(−)、MOSFETQ12のゲート電極が非反転入力端子(+)を構成している。
Q16,Q17はレベルシフト段を構成するMOSFETである。MOSFETQ16は例えばPチャネルMOSFETによって構成され、Q17は例えばNチャネルMOSFETによって構成されている。上記差動増幅回路の出力信号はこのレベルシフト段を介して外部に出力されるようになっている。
この実施例では、図7に示すように、オペアンプ2の出力端子を反転入力端子(−)に接続して負帰還をかけており、非反転入力端子(+)を接地したソースフォロワ構成としている。ここで、非反転入力端子(+)は必ずしも接地する必要はなく、その他の基準電位に接続するようにしてもよい。
この実施例では、オペアンプ2における入力段を構成する一対のMOSFETQ11,Q12がフローティングゲートを備え、ホール注入によって互いに異なるしきい値電圧をもっている。これによりオペアンプ2においてオフセット電圧が生じる。MOSFETQ11,Q12のしきい値電圧をVth1,Vth2とすれば、オフセット電圧Vosは次式で表される。
Vosの絶対値 = |Vth1−Vth2|
Vosの絶対値 = |Vth1−Vth2|
オフセット電圧Vosは、図8に示したようにオペアンプ2をソースフォロワ構成とすれば、非反転入力端子(+)が接続されている接地電位を基準として、出力端子から基準電圧Vrefとして出力される。
この実施例では、MOSFETQ11,Q12のフローティングゲートがホールリッチな状態にされているので、MOSFETQ11,Q12のリテンション特性を向上させることができ、MOSFETQ11,Q12のしきい値電圧、すなわち出力される基準電圧Vrefの経時変化を低減することができる。
さらに、MOSFETQ11,Q12はフローティングゲート及びコントロールゲートを備えているのでホール注入によってしきい値電圧を設定できるので、任意の基準電圧Vrefを得ることができる。つまり従来技術のようにウエハプロセスでイオン注入によってしきい値電圧を決定する必要がない。
さらに、MOSFETQ11,Q12のチャネルプロファイルを含む構造を同一とすることができるので、ウエハプロセスでのばらつきや温度特性でのシフトが同一になり、出力電圧Vrefの安定した基準電圧発生回路を得ることができる。
さらに、MOSFETQ11,Q12はフローティングゲート及びコントロールゲートを備えているのでホール注入によってしきい値電圧を設定できるので、任意の基準電圧Vrefを得ることができる。つまり従来技術のようにウエハプロセスでイオン注入によってしきい値電圧を決定する必要がない。
さらに、MOSFETQ11,Q12のチャネルプロファイルを含む構造を同一とすることができるので、ウエハプロセスでのばらつきや温度特性でのシフトが同一になり、出力電圧Vrefの安定した基準電圧発生回路を得ることができる。
図7及び図8に示した実施例では、差動入力段を構成する一対のMOSFETQ11,Q12としてNチャネル型MOSFETを用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、差動入力段を構成する一対のMOSFETとしてPチャネル型MOSFETを用いてもよい。
また、上記実施例ではMOSFETQ11,Q12ははともにフローティングゲートをもつものであるが、いずれか一方がフローティングゲートを備え、そのフローティングゲートがホールリッチな状態にされていてもよい。
さらに、MOSFETQ11,Q12ははともにフローティングゲートをもつものであって、どちらか一方がUV消去された状態であり、他方がホールリッチな状態でもよい。
また、上記実施例ではMOSFETQ11,Q12ははともにフローティングゲートをもつものであるが、いずれか一方がフローティングゲートを備え、そのフローティングゲートがホールリッチな状態にされていてもよい。
さらに、MOSFETQ11,Q12ははともにフローティングゲートをもつものであって、どちらか一方がUV消去された状態であり、他方がホールリッチな状態でもよい。
図9に本発明の基準電圧発生回路を備えた電源装置の実施例を示す。この電源装置は例えば携帯電話などの携帯機器に使用されるものであり、供給する電源電圧Vccを基準電圧Vrefと比較することによって電源電圧Vccの降下又は上昇を検出する検出回路を備えた電源装置である。図9に示されている回路は、その電源装置における検出回路部分である。
4はオペアンプであり、その反転入力端子(−)に本発明の基準電圧発生回路6が接続され、基準電圧Vrefが印加されている。電源であるバッテリーからの出力電圧は電源端子Vccに印加され、その電圧は分圧抵抗8aと8bによって分圧されてオペアンプ4の非反転入力端子(+)に入力される。
基準電圧発生回路6は、例えば上記基準電圧発生回路の実施例に示されたものであり、その電源Vccとしてはこの電源装置におけるバッテリーが使用される。
ここで、オペアンプ4、基準電圧発生回路6及び分圧抵抗8a,8bにより検出回路を構成している。
ここで、オペアンプ4、基準電圧発生回路6及び分圧抵抗8a,8bにより検出回路を構成している。
この電源装置において、バッテリーの電圧が高く、分圧抵抗8a,8bにより分圧された電圧が基準電圧Vrefよりも高いときはオペアンプ4の出力がHレベルを維持し、バッテリーの電圧が降下してきて分圧抵抗8a,8bにより分圧された電圧が基準電圧Vref以下になってくるとオペアンプ4の出力がLレベルになる。オペアンプ4の出力を携帯電話等の使用機器に表示することによりバッテリーの電圧が所定値以下になったことを知らせることができる。この用途において、Vrefとして、温度変化などに対し高い安定性が要求されるが、本発明のVrefを用いれば要求を満たすことができる。
このような検出回路を複数設け、互いに基準電圧Vrefを異ならせたり、分圧抵抗8a,8bの分圧比を異ならせたりして、それぞれの検出回路が検出する電圧値を異ならせることにより、バッテリーの電圧状態をより詳しく表示できるようになる。
図10は本発明の基準電圧発生回路を備えた定電圧電源の一例を示す回路図である。
電源10からの電源を負荷12に安定して供給すべく、定電圧回路14が設けられている。定電圧回路14は、電源10が接続される入力端子(Vbat)16、基準電圧発生回路(Vref)18、オペアンプ(OPAMP)20、Pチャネル型MOSFETからなる出力トランジスタ(DRV)22、分圧抵抗24a,24b及び出力端子(Vout)26を備えている。
電源10からの電源を負荷12に安定して供給すべく、定電圧回路14が設けられている。定電圧回路14は、電源10が接続される入力端子(Vbat)16、基準電圧発生回路(Vref)18、オペアンプ(OPAMP)20、Pチャネル型MOSFETからなる出力トランジスタ(DRV)22、分圧抵抗24a,24b及び出力端子(Vout)26を備えている。
定電圧回路14のオペアンプ20では、出力端子が出力トランジスタ22のゲート電極に接続され、反転入力端子(−)に基準電圧発生回路18から基準電圧Vrefが印加され、非反転入力端子(+)に出力電圧Voutを抵抗24aと24bで分圧した電圧が印加され、出力電圧Voutが抵抗24aと24bにより分圧された電圧が基準電圧に等しくなるように制御される。
本発明による基準電圧発生回路18により、安定した基準電圧Vrefを供給することにより、安定した出力電圧を供給することができるようになる。
本発明による基準電圧発生回路18により、安定した基準電圧Vrefを供給することにより、安定した出力電圧を供給することができるようになる。
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変更が可能である。
例えば、基準電圧発生回路の上記実施例では、しきい値電圧の差分によって基準電圧を発生させるために2個以上直列又は2個並列に接続されたMOSFETは同じ構造を備えているが、本発明はこれに限定されるものではなく、チャネルプロファイル、ゲート絶縁膜厚、チャネル長、チャネル幅、材質等を含めて、それらのMOSFETは互いに異なる構造をもつものであってもよい。
また、本発明の基準電圧発生回路において、しきい値電圧の差分によって基準電圧を発生させるために2個以上直列又は2個並列に接続されるMOSFETはPチャネル型MOSFETとNチャネル型MOSFETの組合せであってもよい。
また、本発明の基準電圧発生回路が適用される装置や機器は、上記電源装置の実施例に限定されるものではなく、基準電圧発生回路を備えた装置や機器であればすべてに適用することができる。
例えば、基準電圧発生回路の上記実施例では、しきい値電圧の差分によって基準電圧を発生させるために2個以上直列又は2個並列に接続されたMOSFETは同じ構造を備えているが、本発明はこれに限定されるものではなく、チャネルプロファイル、ゲート絶縁膜厚、チャネル長、チャネル幅、材質等を含めて、それらのMOSFETは互いに異なる構造をもつものであってもよい。
また、本発明の基準電圧発生回路において、しきい値電圧の差分によって基準電圧を発生させるために2個以上直列又は2個並列に接続されるMOSFETはPチャネル型MOSFETとNチャネル型MOSFETの組合せであってもよい。
また、本発明の基準電圧発生回路が適用される装置や機器は、上記電源装置の実施例に限定されるものではなく、基準電圧発生回路を備えた装置や機器であればすべてに適用することができる。
Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q11,Q12 Nチャネル型MOSFET
Q6,Q7,Q8,Q9,Q10 Pチャネル型MOSFET
2,4,20 オペアンプ
6,18 基準電圧発生回路
Q6,Q7,Q8,Q9,Q10 Pチャネル型MOSFET
2,4,20 オペアンプ
6,18 基準電圧発生回路
Claims (8)
- MOSFETを2個以上直列又は2個並列に接続し、それらのMOSFETのしきい値電圧の差分によって基準電圧を発生する基準電圧発生回路において、
前記MOSFETのうち少なくとも1個はフローティングゲートとコントロールゲートを備え、前記フローティングゲートはホールリッチな状態又はUV消去された状態であることを特徴とする基準電圧発生回路。 - 前記MOSFETの全部が前記フローティングゲートと前記コントロールゲートを備えており、それらのフローティングゲートはホールリッチな状態又はUV消去された状態である請求項1に記載の基準電圧発生回路。
- 前記フローティングゲートと前記コントロールゲートを備えた前記MOSFETを複数個備え、それらのMOSFETはチャネルドープ量が等しい請求項1又は2に記載の基準電圧発生回路。
- 前記MOSFETはNチャネル型であり、初期しきい値電圧がエンハンスメント側である請求項1、2又は3に記載の基準電圧発生回路。
- 前記MOSFETはPチャネル型であり、初期しきい値電圧がデプレッション側である請求項1、2又は3に記載の基準電圧発生回路。
- 2個以上直列に接続された前記MOSFETのうち少なくとも1個はデプレッション型であり、そのゲートとソースが短絡されて定電流源となっている請求項1から5のいずれかに記載の基準電圧発生回路。
- 2個並列に接続された前記MOSFETが差動入力段を構成し、出力端子が反転入力端子に接続されたオペアンプによって構成される請求項1から5のいずれかに記載の基準電圧発生回路。
- 供給する電源電圧を基準電圧と比較することによって電源電圧を検出する検出回路を備えた電源装置において、
前記基準電圧を発生する回路として請求項1から7のいずれかに記載の基準電圧発生回路を備えたことを特徴とする電源装置。
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