JPH0473961A - Mosfet integrated circuit - Google Patents

Mosfet integrated circuit

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JPH0473961A
JPH0473961A JP2187757A JP18775790A JPH0473961A JP H0473961 A JPH0473961 A JP H0473961A JP 2187757 A JP2187757 A JP 2187757A JP 18775790 A JP18775790 A JP 18775790A JP H0473961 A JPH0473961 A JP H0473961A
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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
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Abstract

PURPOSE:To realize a circuit of high relative accuracy on a MOS integrated circuit by using a structure in which the unit transistors belonging to a first MOSFET and the unit transistors belonging to a second MOSFET are alternately arranged horizontally and vertically with a specific gate area of each unit transistor. CONSTITUTION:The input stage of a circuit includes a differential pair of p- channel MOSFETs Mp1 and Mp2. The Mp1 is composed of six unit transistors mp1, mp3, mp5, mp7, mp9 and mp11 connected in parallel, while the Mp2 is composed of six unit transistors mp2, mp4, mp6, mp8, mp10 and mp12 connected in parallel. The total gate area of Mp1 and Mp2 is greater than 5000mum.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、MOSFET集積回路装置に関し、特に、高
相対精度を有する対のトランジスタが集積化された、ア
ナログ型あるいはアナログ・ディジタル混在型MOS集
積回路装置に間する。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to a MOSFET integrated circuit device, and particularly to an analog type or analog/digital mixed type MOS integrated circuit device in which a pair of transistors having high relative accuracy is integrated. between circuit devices.

[従来の技術] 高い相対精度を有する対トランジスタを必要とする回路
として従来より差動増幅器等がMOS集積回路上に実現
されている。第6図は、代表的なMOSFET差動増幅
器の回路図であり、この回路ではnチャネルMOSFE
TMn 1とMn2およびpチャネルMO3FETMp
 1とMp2が高い相対精度を必要とする対トランジス
タである。
[Prior Art] Differential amplifiers and the like have conventionally been realized on MOS integrated circuits as circuits that require paired transistors with high relative accuracy. Figure 6 is a circuit diagram of a typical MOSFET differential amplifier.
TMn 1 and Mn2 and p-channel MO3FETMp
1 and Mp2 are paired transistors that require high relative accuracy.

差動増幅器ではこれら対トランジスタの相対精度の高さ
により入力オフセット電圧等の重要回路特性が決定され
る。
In a differential amplifier, important circuit characteristics such as input offset voltage are determined by the relative accuracy of these paired transistors.

従来からMOSFETはしきい電圧のバラツキが大きく
、その対トランジスタの相対精度はバイポーラトランジ
スタのそれに比べて劣っていたため、低入力オフセット
電圧の差動増幅器等を集積化したい場合には、バイポー
ラトランジスタを有するバイポーラまたはパイ・CMO
3集積回路技術が用いられてきた。対MO3FETの高
相対精度化対策、つまりしきい電圧バラツキ低減策とし
ては、素子の近接配置の外に、第7図に示すような、ユ
ニットトランジスタmplとmp4によって第6図のM
plを構成し、mp2とmp3とによりMp2を構成す
る、いわゆるたすき掛は配置がある。これは、ゲート酸
化膜厚、基板濃度等のウェハ上の各種勾配の影響を対M
OSFET間で平均化することにより、対MOSFET
間でのしきい電圧の相対バラツキを低減することを意図
したものである。
Conventionally, MOSFETs have large variations in threshold voltage, and the relative accuracy of their pair to transistors has been inferior to that of bipolar transistors. Therefore, if you want to integrate a differential amplifier with a low input offset voltage, etc., it is recommended to use bipolar transistors. Bipolar or Pi CMO
Three integrated circuit technologies have been used. In order to improve the relative accuracy of the MO3FET, that is, to reduce the variation in threshold voltage, in addition to arranging the elements close to each other, unit transistors mpl and mp4 as shown in FIG.
There is an arrangement of so-called sashes that constitute pl and mp2 and mp3 constitute Mp2. This reduces the influence of various gradients on the wafer such as gate oxide film thickness and substrate concentration.
By averaging across OSFETs,
This is intended to reduce the relative variation in threshold voltage between the two.

第8図は、近接配置した対pチャネルMO3FET間の
しきい電圧の相対バラツキを、たすき掛は配置しないも
の〔第8図(a)〕とたすき掛は配置としたもの〔第8
図(b)〕とのそれぞれについて度数分布表示したもの
である。ここでは、対トランジスタの総数は46組で、
また、測定したトランジスタ対は、ゲート長が10A1
m、ゲート幅が100μmのトランジスタ〔(a)の場
合〕、あるいはゲート長が10μm、ゲート幅が50μ
mのトランジスタをそれぞれ2個ずつ並列接続したもの
〔(b)の場合〕である。
FIG. 8 shows the relative variation in threshold voltage between paired p-channel MO3FETs placed close to each other, with no cross-crossing [Fig. 8 (a)] and with cross-crossing [Fig. 8 (a)].
Figure (b)] shows the frequency distribution for each. Here, the total number of pairs of transistors is 46,
In addition, the gate length of the measured transistor pair was 10A1
m, a transistor with a gate width of 100 μm [in the case of (a)], or a gate length of 10 μm and a gate width of 50 μm
In this case, two m transistors are connected in parallel [case (b)].

[発明が解決しようとする課題] 上述した従来の対トランジスタでは、たすき掛は配置し
ても、そうでない場合と比較して、しきい電圧差のバラ
ツキは標準偏差で10〜30%程度しか低減できず、そ
の値は0.7mV程度と大きかった。バイポーラトラン
ジスタの場合、トランジスタ間のΔVB!(同じコレク
タ電流を得るのに必要なベース−エミッタ閉;圧の差)
のバラツキは標準偏差の3倍が1mV以下であるので、
MOSFETは、たすき掛けにしたとしてもなお、バイ
ポーラトランジスタの2倍以上にばらつく。
[Problem to be solved by the invention] In the conventional pair of transistors described above, even if cross-crossing is arranged, the variation in threshold voltage difference is reduced by only about 10 to 30% in terms of standard deviation compared to the case without cross-crossing. The value was as large as about 0.7 mV. In the case of bipolar transistors, ΔVB! between the transistors! (Base-emitter closure required to obtain the same collector current; pressure difference)
Since the variation in is 3 times the standard deviation less than 1mV,
Even if MOSFETs are cross-wired, the variation is more than twice that of bipolar transistors.

そのなめ低入力オフセット電圧の差動増幅器等、高い相
対精度を有する対トランジスタを必要とする回路を集積
回路化する場合には、バイポーラまたはパイCMO3集
積回路技術を用いなければならなかった。
Therefore, when integrating circuits that require paired transistors with high relative accuracy, such as differential amplifiers with low input offset voltages, it has been necessary to use bipolar or pi CMO3 integrated circuit technology.

よって、本発明の目的とするところは、対MOSFET
ra1のしきい電圧の相対精度を高めることであり、も
って、従来バイポーラ技術のみによって可能であった、
低入力オフセット電圧の差動増幅器等の高相対精度を要
する回路をMO3型集積回路上に実現しうるようにする
ことである。
Therefore, the object of the present invention is to
The goal is to improve the relative accuracy of the ra1 threshold voltage, which was previously possible only with bipolar technology.
The object of the present invention is to enable circuits that require high relative accuracy, such as a differential amplifier with a low input offset voltage, to be realized on an MO3 type integrated circuit.

[課題を解決するための手段] 本発明のMOSFET集積回路装置は、互に対となって
用いられる同一導電型の第1、第2のMOSFETを有
するものであって、前記第1、第2のMOSFETはそ
れぞれ複数のユニットMOSFETの並列接続体から構
成され、前記第1のMOSFETに属するユニットMO
S F ETと前記第2のMOSFETに属するユニッ
トMOSFETとは横方向および縦方向に交互に配置さ
れ、かつ、それぞれのMOSFETに属するユニットM
OSFETのゲート面積の和はそれぞれ5000μm2
以上であるようになされたものである。
[Means for Solving the Problems] The MOSFET integrated circuit device of the present invention has first and second MOSFETs of the same conductivity type that are used in pairs, the first and second MOSFETs having the same conductivity type. Each of the MOSFETs is composed of a parallel connection of a plurality of unit MOSFETs, and the unit MOSFET belonging to the first MOSFET is
The S FET and the unit MOSFETs belonging to the second MOSFET are arranged alternately in the horizontal and vertical directions, and the units M belonging to each MOSFET are arranged alternately in the horizontal and vertical directions.
The sum of the gate areas of each OSFET is 5000 μm2
This is what was done above.

[実施例コ 次に、本発明の実施例について、図面を参照して説明す
る。
[Embodiments] Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図は、本発明の一実施例を説明するための回路図で
あり、これは、第6図の差動アンプを入力段とする演算
増幅器の回路図である。この回路の入力段の差動対のp
チャネルMO3FETMp1、MP2は、第2図に示さ
れるようなユニットトランジスタの並列接続回路により
構成されている。mpl、mp3、mp6、mp8、m
p9、mpHの6個のユニットトランジスタでMplが
構成され、同様にmp2、mp4、mp5、mpl、m
plo、mpl2の6個のユニットトランジスタでMp
2が構成されている。これら各ユニットトランジスタの
ゲート面積は、t oooμmZ (ゲート長10μm
、ゲート幅100μm)となされている、したがって、
Mpl、Mp2の全ゲート面積はそれぞれ6000μm
2である。
FIG. 1 is a circuit diagram for explaining one embodiment of the present invention, and is a circuit diagram of an operational amplifier having the differential amplifier of FIG. 6 as an input stage. p of the differential pair in the input stage of this circuit
Channel MO3FETM Mp1 and MP2 are constituted by a parallel connection circuit of unit transistors as shown in FIG. mpl, mp3, mp6, mp8, m
Mpl is composed of six unit transistors p9, mpH, and similarly mp2, mp4, mp5, mpl, m
Mp with 6 unit transistors plo and mpl2
2 are configured. The gate area of each of these unit transistors is tooooμmZ (gate length 10μm
, gate width 100 μm), therefore,
The total gate area of Mpl and Mp2 is 6000 μm each.
It is 2.

一般にMOSFETの(1/周波数)に比例する低周波
ノイズはゲート面積が大きくなる程小さくなることが知
られているが、同様なことがしきい電圧のバラツキにつ
いても成り立つことが予測される0面積を大きくするこ
とにより表面準位等の局所的バラツキを平均化できるか
らである。そこで、全ゲート面積の異なる対トランジス
タの特性を比較するために、ゲート面積が!500tt
rrr”のユニットトランジスタが2個、18個、20
0個並列接続されたMOSFETの対を作成し、その対
のしきい電圧の差を調べた。得られた結果の度数分布を
それぞれ第3図(a)、(b)、(c)に示す、即ち、
第3図(a)、(b)、(c)はそれぞれ、ゲート面積
が1000.9000.105μm1の対トランジスタ
のしきい電圧差のバラツキを示している。この場合、対
をなすトランジスタそれぞれのユニットトランジスタは
、第2図に示すように、対間で各種勾配の影響を平均化
するために対称的に配置されている。この第3図より、
対をなすトランジスタのゲート面積を大きくするとしき
い電圧の相対バラツキが小さくなっていることがわかる
It is generally known that the low-frequency noise proportional to (1/frequency) of a MOSFET decreases as the gate area increases, but the same is predicted to hold true for threshold voltage variations as well. This is because by increasing , local variations in surface levels and the like can be averaged out. Therefore, in order to compare the characteristics of transistors with different total gate areas, we decided to compare the characteristics of transistors with different total gate areas. 500tt
rrr” unit transistors: 2, 18, 20
A pair of 0 MOSFETs connected in parallel was created, and the difference in threshold voltage between the pairs was investigated. The frequency distributions of the obtained results are shown in FIGS. 3(a), (b), and (c), respectively.
FIGS. 3(a), 3(b), and 3(c) each show the variation in the threshold voltage difference between a pair of transistors each having a gate area of 1000.9000.105 μm1. In this case, the unit transistors of each pair of transistors are arranged symmetrically, as shown in FIG. 2, to average out the effects of various gradients between the pairs. From this figure 3,
It can be seen that as the gate area of the paired transistors increases, the relative variation in threshold voltage becomes smaller.

第4図は、第3図の分布のデータより得たしきい電圧差
の標準偏差のゲート面積依存性を表すグラフであって、
横軸は1/(全ゲート面積)としである。同図より第1
図中の差動対Mp1.Mp2のしきい電圧差をバイポー
ラトランジスタ対の差電圧Δ■1の値と同様に、標準偏
差を1/3mV以下とするためには、対をなすトランジ
スタのそれぞれの全ゲート面積を5000μX112以
上とすればよいことがわかる。
FIG. 4 is a graph showing the gate area dependence of the standard deviation of the threshold voltage difference obtained from the distribution data of FIG.
The horizontal axis is 1/(total gate area). From the same figure, the first
Differential pair Mp1. In order to keep the standard deviation of the threshold voltage difference of Mp2 to 1/3 mV or less, similar to the value of the differential voltage Δ■1 of a pair of bipolar transistors, the total gate area of each transistor in the pair should be 5000μX112 or more. I know it's good.

上記説明では簡単化のため負荷のミラー回路を構成する
nチャネルMO3FETMnl、Mn2間のしきい電圧
バラツキを無視しているが、実際にはこれも考慮にいれ
る必要がある。そこで、nチャネルMOSFETについ
ても、ゲート面積が500μm2のユニットトランジス
タを前述のpチャネルの場合と同様に、対称的に配置さ
れたユニットトランジスタを2個、18個、200個ず
つそれぞれ並列接続して同一ウェハ上にnチャネルMO
SFET対を作成し1.:のMOSFET対間のしきい
電圧差の度数分布を調べたところ、バラツキ(標準偏差
)はpチャネルMOSFETの場合よりやや小さくなっ
ているものの、第3図、第4図とほぼ同様の結果が得ら
れた。従って、前述の実施例で負荷のnチャネルMOS
FET対間のしきい電圧差が問題となる場合にはpチャ
ネル型の場合と同様にゲート面積を5000μm2以上
とすることにより、負荷のnチャネルMOSFET対間
のしきい電圧差のバラツキによる影響を排除することが
できる。
In the above description, for the sake of simplicity, the threshold voltage variation between the n-channel MO3FETs Mnl and Mn2 constituting the mirror circuit of the load is ignored, but in reality, it is necessary to take this into consideration as well. Therefore, for n-channel MOSFETs, unit transistors with a gate area of 500 μm2 are connected in parallel with 2, 18, and 200 symmetrically arranged unit transistors, respectively, as in the case of the p-channel unit described above. n-channel MO on wafer
Create a SFET pair 1. When we investigated the frequency distribution of the threshold voltage difference between the pair of MOSFETs in Obtained. Therefore, in the above embodiment, the load n-channel MOS
If the threshold voltage difference between a pair of FETs is a problem, by setting the gate area to 5000 μm2 or more, as in the case of p-channel MOSFETs, the influence of variations in the threshold voltage difference between a pair of n-channel MOSFETs in the load can be reduced. can be excluded.

しかし、注意すべき点は、本発明は単にゲート面積を大
きくすることによってしきい電圧差を低減しているので
はない点である。ゲート面積を大きくとることの効果は
表面単位等の局所的なバラツキ要因に対するものである
ので、十分な効果を得るには上記対策とともにウェハ上
の各種勾配に対する平均化対策を併用する必要がある0
本発明では、十分率さいしきい電圧差を得るために必要
なゲート面積を、ウェハ上の各種勾配を対MOSFET
間で十分平均化できる程小さいゲート面積のユニットト
ランジスタを複数個対称配置することにより得ている。
However, it should be noted that the present invention does not reduce the threshold voltage difference simply by increasing the gate area. The effect of increasing the gate area is on local variation factors such as surface units, so in order to obtain a sufficient effect, it is necessary to use averaging measures for various slopes on the wafer in addition to the above measures.
In the present invention, the gate area required to obtain a sufficient threshold voltage difference is determined by varying the various slopes on the wafer between MOSFETs.
This is achieved by symmetrically arranging a plurality of unit transistors each having a gate area small enough to be averaged between the two.

第5図は、本発明の他の実施例を示す回路図である。同
図において、Mp4乃至Mp6は同一サイズのpチャネ
ルMOSFET、Mn4、Mn5は、それぞれゲート面
積が500μm2のユニットトランジスタを12個並列
に接続し、第2図に示すように互に対称的に配置して構
成したnチャネルMOSFET、R1、R2はp型基板
上のnウェルに形成されたR 2 / R1= aを満
たす拡散抵抗、Dl乃至D3はpチャネルMOSFET
のソース・ドレインと同時に形成される高濃度p型拡散
層をアノード、nウェルをカソードとするp+n−型接
合ダイオードである。これら各ダイオードを、 (DIのアノード面積): (D2のアノード面積):
 (D3のアノード面積) =n:1:n(但し、n〉1) となるように設定しておくと、出力電圧Vo2は次式で
与えられる。
FIG. 5 is a circuit diagram showing another embodiment of the present invention. In the figure, Mp4 to Mp6 are p-channel MOSFETs of the same size, and Mn4 and Mn5 are 12 unit transistors each with a gate area of 500 μm2 connected in parallel, and arranged symmetrically with each other as shown in FIG. R1 and R2 are diffused resistors that satisfy R2/R1=a formed in an n-well on a p-type substrate, and Dl to D3 are p-channel MOSFETs.
It is a p+n- type junction diode in which the high concentration p-type diffusion layer formed at the same time as the source and drain of is used as an anode, and the n-well is used as a cathode. For each of these diodes, (DI anode area): (D2 anode area):
(Anode area of D3) =n:1:n (where n>1) When set, the output voltage Vo2 is given by the following equation.

V 02= V p + a−Vt J a nここで
、VPはダイオードD1の順方向電圧、v丁はkT/q
で与えられる電圧である。この回路は、バイポーラ集積
回路で高精度電圧源とじてしばしば利用されるバンド・
ギャップ・リファレンス回路をMO5集積回路技術で実
現したものである。従来技術により第5図の回路を実現
した場合、主にMn4とMn5間のしきい電圧差のバラ
ツキにより、バイポーラ集積回路で実現されるものと比
較して、常温出力電圧バラツキ、温度特性変動が共に大
きかった。しかし、本実施例では、M n 4とM n
 5間のしきい電圧差は、バイポーラトランジスタのΔ
VntTK圧と同等以下となり、バイポーラ集積回路と
同等あるいはそれ以上に高精度なバンド・ギャップ・リ
ファレンス回路がMO8集積回路技術により得られる。
V 02 = V p + a-Vt J a n Here, VP is the forward voltage of diode D1, and v is kT/q.
is the voltage given by . This circuit is a band-band converter often used as a precision voltage source in bipolar integrated circuits.
This gap reference circuit is realized using MO5 integrated circuit technology. When the circuit shown in Fig. 5 is realized using the conventional technology, the normal temperature output voltage variation and temperature characteristic variation are reduced compared to the circuit realized with a bipolar integrated circuit, mainly due to the variation in the threshold voltage difference between Mn4 and Mn5. Both were big. However, in this example, M n 4 and M n
The threshold voltage difference between 5 is Δ of bipolar transistor
A band gap reference circuit which is equal to or lower than the VntTK pressure and has a precision equal to or higher than that of a bipolar integrated circuit can be obtained using MO8 integrated circuit technology.

[発明の効果] 以上説明したように、本発明は、MOSFET対に対す
るウェハ上の各種勾配の影響を複数のユニットトランジ
スタの対称配置により小さくすると同時に表面準位等の
局所的なバラツキの影響をゲート面積を5000μm2
以上とすることにより小さくしたものであるので、本発
明によれば、MOSFET対のしきい電圧の差をバイポ
ーラトランジスタ対のΔ■BEと同程度かあるいはそれ
以下に抑えることができる。したがって、本発明によれ
ば、従来バイポーラ技術のみによって実現可能であった
高精度の回路をMO3集積回路において実現することが
できる。
[Effects of the Invention] As explained above, the present invention reduces the influence of various gradients on a wafer on MOSFET pairs by symmetrically arranging a plurality of unit transistors, and at the same time gates the influence of local variations such as surface states. The area is 5000μm2
According to the present invention, the difference in threshold voltage of the MOSFET pair can be suppressed to the same level as Δ■BE of the bipolar transistor pair or less. Therefore, according to the present invention, a highly accurate circuit that could conventionally be realized only by bipolar technology can be realized in an MO3 integrated circuit.

【図面の簡単な説明】 第1図は、本発明の一実施例を説明するための回路図、
第2図は、本発明の一実施例を示す平面図、第3図(a
)〜(c)は、それぞれユニットトランジスタの並列接
続数を変えた場合についてのしきい電圧差の発生度数分
布図、第4図は、ゲート電極面積に対するしきい電圧差
の標準偏差の変化を示す図、第5図は、本発明の他の実
施例を説明するための回路図、第6図は、従来例を説明
するための回路図、第7図は、従来例の平面図、第8図
(a)、(b)は、従来例のしきい電圧差の発生度数分
布図である。 1・・・ゲート電極、 2・・・素子領域、 3・・・
第1層金属配線、 4・・・第2層金属配線、 Mnl
〜M n 5−−− nチャネルMOSFET、  M
pl 〜Mp 6 =−pチャネルMO3FET、 m
pl 〜mp12・・・ユニットトランジスタ。
[BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS] FIG. 1 is a circuit diagram for explaining an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view showing one embodiment of the present invention, and FIG.
) to (c) are frequency distribution diagrams of the threshold voltage difference when the number of parallel connection of unit transistors is changed, and Figure 4 shows the change in the standard deviation of the threshold voltage difference with respect to the gate electrode area. 5 is a circuit diagram for explaining another embodiment of the present invention, FIG. 6 is a circuit diagram for explaining a conventional example, FIG. 7 is a plan view of the conventional example, and FIG. Figures (a) and (b) are frequency distribution diagrams of threshold voltage differences in the conventional example. 1... Gate electrode, 2... Element region, 3...
1st layer metal wiring, 4... 2nd layer metal wiring, Mnl
~M n 5--- n-channel MOSFET, M
pl ~ Mp 6 = -p channel MO3FET, m
pl to mp12...unit transistors.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims]  互に対となって用いられる同一導電型の第1、第2の
MOSFETを有するMOSFET集積回路装置であっ
て、前記第1、第2のMOSFETはそれぞれ複数のユ
ニットMOSFETの並列接続回路から構成され、前記
第1のMOSFETに属するユニットMOSFETと前
記第2のMOSFETに属するユニットMOSFETと
は横方向および縦方向に交互に配置され、かつ、それぞ
れのMOSFETに属するユニットMOSFETのゲー
ト面積の和はそれぞれ5000μm^2以上であること
を特徴とするMOSFET集積回路装置。
A MOSFET integrated circuit device having first and second MOSFETs of the same conductivity type used in pairs, each of the first and second MOSFETs comprising a parallel connection circuit of a plurality of unit MOSFETs. , the unit MOSFETs belonging to the first MOSFET and the unit MOSFETs belonging to the second MOSFET are arranged alternately in the horizontal and vertical directions, and the sum of the gate areas of the unit MOSFETs belonging to each MOSFET is 5000 μm. A MOSFET integrated circuit device characterized in that it is ^2 or more.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6552402B1 (en) 1998-04-09 2003-04-22 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Composite MOS transistor device
US8004362B2 (en) 2006-08-23 2011-08-23 Nec Corporation Gate bias circuit

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JPH0212929A (en) * 1988-06-30 1990-01-17 Toshiba Corp Semiconductor integrated circuit

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