JPH06149395A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH06149395A
JPH06149395A JP4302079A JP30207992A JPH06149395A JP H06149395 A JPH06149395 A JP H06149395A JP 4302079 A JP4302079 A JP 4302079A JP 30207992 A JP30207992 A JP 30207992A JP H06149395 A JPH06149395 A JP H06149395A
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JP
Japan
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power supply
supply voltage
circuit
external power
vcc
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JP4302079A
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English (en)
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Toshiji Okamoto
利治 岡本
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NEC Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】半導体装置内に組み込むことで、外部電源電圧
が5Vであっても、3.3Vであっても、どちらの外部
電源電圧を使用しても、高速の動作速度と安定な作動を
実現すること。 【構成】電源電圧検出回路Mと降圧回路Kと切り替え回
路Lとから構成される。電源電圧検出回路Mで、外部電
源電圧の大きさを検出し、出力として切り替え回路Lを
制御する信号を送り出す。切り替え回路Lは、外部電源
電圧が5Vであった場合、降圧回路Kによって3.3V
に降圧された内部電源電圧を内部回路3に供給するよう
に、また外部電源電圧が3.3Vの場合には、外部電源
電圧をそのまま内部回路3に供給するように機能する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置に関し、特に
外部電源電圧が5Vの場合でも3.3Vあるいは3.0
Vの場合でも高速かつ安定に動作可能なMOSFETを
主な構成要素とする半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、半導体装置の大容量化、高速化の
要求に応えるため、デバイス素子の微細化、すなわちM
OSFETのゲート長の縮小、ゲート酸化膜の薄膜化が
進行している。例えば、現在大容量化が最も進んでいる
DRAM(ダイナミック・ランダム・アクセス・メモ
リ)においては、ゲート長は、0.5〜0.6μm、ゲ
ート酸化膜厚は150A程度まで縮小されている。この
ように、MOSFETの微細化が進むと、ホットキャリ
ア耐圧、ソースドレイン耐圧は低下する為、電源電圧と
して5Vを使用する従来の方式では、半導体装置の信頼
性の確保が困難になる。例えば、参考文献:日経マイク
ロデバイス1991年4月号(P.52〜61)、参考
文献:日経エレクトロニクス1991年5月号(P.1
43)。
【0003】そこで、近年では、半導体装置に使用する
電源電圧を、5Vから、3.3Vに下げる方式が考えら
れている。電源電圧を下げることで、チャネル領域に加
わる電界の強さが緩和されるため、デバイス素子の劣化
は抑制される。したがって、大容量化を進めても半導体
装置の信頼性は確保できるだろう。
【0004】しかし、外部電源電圧の選択という問題
は、半導体装置を設計する側では、自儘にならぬことで
もある。半導体装置を搭載する外部装置より提供される
電源電圧は、従来の電源電圧方式による半導体装置との
混載も十分に有り得ることを考慮すると、容易に3.3
Vに切り替わらないだろう。従って、電源電圧が5Vか
ら3.3Vに移行する過渡期にあっては、どちらの電源
電圧方式でも動作するような工夫を半導体装置自身に付
加する必要がある。
【0005】そこで、外部電源電圧Vcc(ext)
を、まず、半導体装置内に備えた降圧回路で受け、内部
電源電圧Vcc(int)=3.3Vに変換し、それか
ら、内部回路に供給する方式が一般的になってきた。外
部電源電圧が5Vであっても、3.3Vであっても、降
圧回路によって内部電源電圧Vcc(int)とし、そ
れから内部回路に供給する方式である。例えば、参考文
献:日経マイクロデバイス1990年2月号(p.11
5〜122)。
【0006】図8は従来技術による降圧回路を使用した
一般的な半導体記憶装置の一部ブロック図である。図8
において、半導体装置内部に構成された降圧回路(K)
へ、外部端子1につながる節点CCから外部電源電圧V
cc(ext)が入力し、降圧回路(K)で、内部電源
電圧Vcc(int)に変換、出力節点CCiに出力
し、内部回路電源線2を介して、このVcc(int)
を内部の各回路3(例えばデコーダ回路5,センスアン
プ回路6,制御回路7等)に供給する構成である。
【0007】図9は、従来技術による降圧回路の入力節
点CC、及び出力節点CCiに現れる電圧の外部電源電
圧Vcc(ext)依存性を示した特性図である。出力
節点CCiには降圧された内部電源電圧Vcc(in
t)が現れる。従来の降圧回路では、外部電源電圧Vc
c(ext)=5Vの時にVcc(int)=3.3V
がCCiに出力されるようにデバイスパラメータを最適
化してやらなければならない。このため、外部電源電圧
Vcc(ext)=3.3Vで使用する場合、内部電源
電圧Vcc(int)はおよそ3.0V程度まで低下し
てしまう。そのため、特に低電源電圧3.3V使用時に
おいて半導体装置に印加した外部電源電圧がそのままの
大きさで降圧回路の出力節点CCiに出力されないとい
う欠点があった。
【0008】図10は、外部電源電圧3.3V使用環境
下で半導体装置内の内部回路がスイッチングした場合の
従来の降圧回路の出力節点CCiにおける電圧変化を示
す特性図である。K2で示している波形は、内部回路中
の任意の節点における一般的なスイッチングの波形を示
したものである。一般的に内部回路がスイッチングした
際、VccからGNDにむかって貫通電流が流れる。内
部回路にVcc(int)を供給する降圧回路の電流駆
動能力には制限があるために、この時、出力節点CCi
における電圧Vcc(int)は、一時的に大きく低下
し、その後、元の設定した電圧に復帰する。使用条件に
もよるが、我々の実験では、およそ0.7V低下が見ら
れ、従来の降圧回路を使用した場合には、使用電源電圧
の変動の許容範囲の目安と見なされている±10%を越
えている。このため、センスアンプ回路6,入力バッフ
ァ回路等、電源電圧の変動に対し敏感な内部回路3が誤
動作し易くなる欠点があった。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】以上述べてきたよう
に、従来技術による降圧回路Kを有する半導体装置で
は、特に外部電源電圧Vcc(ext)=3.3Vによ
る使用環境下の場合、降圧回路Kを経て内部回路3へ
供給される電源電圧Vcc(int)は低下しているた
め、半導体装置が高速に動作しない。またMOSFE
Tの電流駆動能力の制限のために、内部回路3で大きな
貫通電流が流れた場合、内部へ供給する電源電圧Vcc
(int)が大きくふらつき、半導体装置が不安定な動
作を起こし易いという問題点がある。
【0010】従って、従来の降圧回路のみの構成の場
合、外部電源電圧が特に3.3Vの場合、安定かつ高速
に動作する半導体装置を提供できない欠点がある。
【0011】本発明の目的は、前記欠点を解決し、高速
かつ安定に動作するようにした半導体装置を提供するこ
とにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置の構
成は、入力が外部電源端子に接続され、前記外部電源端
子から印加された外部電源電圧よりも低い内部電源電圧
に変換して出力する降圧回路と、入力が前記外部電源端
子に接続され、前記外部電源電圧が、設定された回路し
きい値よりも高レベルの場合には出力に論理1を又は論
理0を、低レベルの場合論理0又は論理1を出力する電
源電圧検出回路と、第1の入力端と第2の入力端と制御
端と出力端とを有し、前記第1の入力端に前記外部電源
端子が接続され、前記第2の入力端に前記降圧回路の出
力が接続され、前記制御端に前記電源電圧検出回路の出
力が接続され、前記出力端が内部回路の電源線に接続さ
れ、前記制御端に印加された論理値信号によって前記出
力端に前記降圧回路の出力電圧あるいは前記外部電源電
圧のどちらかが印加されるように機能する切り替え回路
とを備えたことを特徴とする。
【0013】
【実施例】図1は、本発明の第1の実施例による内部降
圧回路を示したブロック図であり、一般的な半導体記憶
装置に適用した例を一部ブロック図で示したものであ
る。
【0014】図1において、本実施例では、降圧回路
K、及び内部回路3(デコーダ回路5,センスアンプ回
路6,制御回路7等)は、図8で説明したものと同様な
機能を持つものであるから、説明を省略する。電源電圧
検出回路Mは、外部電源電圧Vcc(ext)の大きさ
を検出して、出力節点M01,M02から、切り替え回
路Lを制御する信号を送りだす機能を持つ。
【0015】図2は、図1中の電源電圧検出回路Mの機
能を達成するような回路設計の一例を示した回路図であ
る。図2において、本回路は、基本的には3つのインバ
ータから構成されており、トランジスタQ21,Q2
2,Q24,Q26は、エンハンスメントp形MOSF
ET(以下EPMと略す)であり、トランジスタQ2
5,Q27はエンハンスメントn形MOSFET(以下
ENMと略す)である。トランジスタQ23はディプレ
ッションn形MOSFET(以下DNMと略す)であ
る。
【0016】EPMQ21,Q22の基板電位はソース
電位と同じにしてあり、ゲート電位はドレイン電位から
与える。DNMQ23の基板電位,ゲート電圧はGND
としておく。この電源電圧検出回路Mは、5Vの外部電
源電圧使用時であれば、出力節点M01に“H”を送り
だし、出力節点M02は“L”にする。外部電源電圧と
して3.3Vを使用している場合には、M01に“L”
を、M02に“H”を出力するような論理を実現する。
【0017】図3は図1中の切り替え回路Lの機能を達
成するような回路設計の一例を示す回路図である。図3
において、EPMQ31,ENMQ32とからなる第1
のトランスファーゲートとEPMQ33,ENMQ34
とからなるトランスファーゲートとを備え、トランジス
タQ31,Q33は共にEPM、トランジスタQ32,
Q34は共にENMであり、これらのEPMQ31,Q
33,ENMQ32,Q34は、電流駆動能力を充分に
大きくするために、各トランジスタのW/L(ゲート幅
/ゲート長)は充分に大きく設計される。切り替え回路
Lには、外部電源電圧Vcc(ext)と降圧回路Kに
よって降圧された電圧K01、及び電源電圧検出回路M
より入力される2つの制御信号が入力している。制御信
号の論理に応じて、Vcc(ext)かK01のどちら
が一方を選択して出力節点CCiに出力し、内部回路3
に供給する機能を有する。
【0018】図4に、図2に示す電源電圧検出回路Mの
節点CC,MA1,MB1,MC1に現れる電圧の外部
電源電圧Vcc(ext)依存性を示す。図4でこの動
作を説明する。
【0019】まず、外部電源電圧Vcc(ext)が
次の(1)式の条件を満たす(a)の期間は、図2のE
PMQ21,Q22が非導通のため、節点MA1の電圧
は0V、また節点MB1,節点MC1の電圧はそれぞれ
Vcc(ext),0Vとなる。ここで、VTPは、E
PMQ21,Q22の閾値電圧である。
【0020】 Vcc(ext)≦2|VTP| …(1) 次に、外部電源電圧Vcc(ext)の上昇にともな
い、EPMQ21,Q22が導通するため、節点MA1
の電圧も0Vから上昇し、Vcc(ext)が次の
(2)式で表される値になると、EPMQ24とENM
Q25とから構成されるインバータが反転する。
【0021】図4中の(b)の期間にあたるこの時の節
点MA1の電圧は、Vcc(ext)−2|VTP|で
あり、また、節点MB1,MC1の電圧は、それぞれ0
V,Vcc(ext)へとスイッチングする。ここで、
VIは、EPMQ24とENMQ25とから構成される
インバータの論理閾値である。
【0022】 Vcc(ext)=2|VTP|+VI …(2) さらに次の(3)式で表される(c)の期間では、外
部電源電圧Vcc(ext)は充分に高いため、EPM
Q21,Q22は導通し、節点MA1の電圧はVcc
(ext)−2|VTP|になり、節点MB1,MC1
の電圧はそれぞれVcc(ext),0Vとなる。
【0023】 Vcc(ext)≧2|VTP|+VI …(3) 従って、電源電圧検出回路Mにおいては、入力節点CC
に印加される外部電源電圧Vcc(ext)の大きさに
よって、出力節点M01,M02に5Vであればそれぞ
れVcc(ext),0Vを、3.3Vであればそれぞ
れ0V,Vcc(ext)を送り出すことが出来る。
【0024】また前記(2)式を満たすVcc(ex
t)の値をVINTV1とすると、VINTV1の値は
3.3Vと5Vとの間に設定される。例えば、VTP=
−1.4V,VI=1.0Vとなるように設計された場
合、VINTV1=3.8Vとなる。更にDNMQ23
は、高抵抗にするために、EPMQ21,Q22に対し
て、電流駆動能力が非常に小さくなるように設計され
る。
【0025】図5に、切り替え回路Lの出力節点CCi
に現れる電圧の外部電源電圧Vcc(ext)依存性を
示す。ここで、VINTV1は前述したように前記
(2)式を満たすVcc(ext)の値であるが、これ
は電源電圧検出回路Mの作動判定点と見なすことが出来
る電圧値である。
【0026】Vcc(ext)≦VINTV1の場合 電源電圧検出回路Mの出力節点M01=0V,M02=
Vcc(ext)となる為、EPMQ31とENMQ3
2とが導通、EPMQ33とENMQ34とが非導通に
あり、出力節点CCiには、外部より印加された電圧V
cc(ext)がそのまま印加され、出力節点CCiの
電圧すなわち内部回路に供給される電圧Vcc(in
t)は次の(3′)式で表される。
【0027】 Vcc(int)=Vcc(ext) …(3′) Vcc>VINTV1の場合 節点M01=Vcc(ext),M02=0Vとなるた
め、切り替え回路L中のEPMQ31とENMQ32と
が非導通、EPMQ33とENMQ34とが導通し、出
力節点CCiには、降圧回路Kの出力電圧VK01が印
加され、出力節点CCiに現れる電圧Vcc(int)
は次の(4)式で表される。
【0028】 Vcc(int)=VK01 …(4) 従って、半導体装置の外部電源電圧Vcc(ext)と
して5Vで使用した場合(図5中のの領域)、各内部
回路3に供給される内部電源電圧Vcc(int)は、
降圧回路Kによって降圧された電圧VK01となる。一
方、外部電源電圧として3.3Vを使用した場合(図5
中のの領域)、外部電源電圧Vcc(ext)が、半
導体装置内の内部回路3にVcc(int)としてその
まま供給される。従って、本実施例においては、特に外
部電源電圧が3.3Vである場合においても内部電源電
圧は、外部電源電圧と等しくなる。このため、従来例の
場合のように、内部回路に供給する電圧が低下せず、半
導体装置の動作速度が遅くなることはない(効果)。
【0029】図6に、本実施例を半導体装置内に組み込
み、外部電源電圧として3.3Vを使用している場合
の、内部回路3をスイッチングさせたとき、内部降圧回
路の出力節点CCiに現れる電圧すなわち内部電源電圧
Vcc(int)の変化を時間依存性で示す。
【0030】本実施例では、3.3Vの外部電源電圧を
使用している場合、前述したように、内部電源電圧Vc
c(int)は、降圧回路Kを経ることなく、電流駆動
能力の大きいトランスファゲゲートを介して外部電源電
圧Vcc(ext)を内部回路3に供給するために、従
来例の場合に比べて、内部回路3をスイッチングさせた
際の、CCiでの内部電源電圧Vcc(int)のふら
つきは小さくなるので、電源電圧の変動許容量の目安と
される±10%(0.33V)以内に十分収まる。従っ
て内部回路3、特にセンスアンプ回路6,入力バッファ
等、電源電圧の変動に対し、敏感な回路の誤動作は、従
来例よりも起こりにくい(効果)。
【0031】図7は本発明の第2の実施例を示すブロッ
ク図である。図7において、本実施例である内部降圧回
路を半導体装置内に設ける場合の、電源電圧検出回路M
について第2の実施例を示したものである。図7におい
て、本実施例が第1の実施例における電源電圧検出回路
Mと異なるのは、入力節点CCにつながる初段のインバ
ータの構成である。ENMQ31,DNMQ23からな
り、ENMQ31のゲート電圧は、ドレインの電位から
与えられている。その他のMOSFETは、前記第1の
実施例と同様の構成であるので、説明を省略する。また
節点MA2の電圧変化は、第1の実施例中のMA1の電
圧変化と同一になるように、ENMQ31のしきい値電
圧が設計されている。
【0032】例えば、ENMQ31のしきい値電圧VT
NをVTN=2.8Vに設定してやると、図7の電源電
圧検出回路Mが検出できる電圧VINTV2は、前記第
1の実施例で述べた電源電圧検出回路(図2)における
VINTV1と等しくなり、以下第2の実施例の動作
は、節点MA1,MB1,MC1は、それぞれMA2,
MB2,MC2に置き換えたのと同一になるので説明を
省略する。
【0033】
【発明の効果】以上述べたように、本発明は、外部電源
電圧の値が例えば5Vのときは出力節点CCiには降圧
回路の出力電圧VK01が印加され、一方外部電源電圧
の値が例えば3.3Vのときには、節点CCiには節点
CCに印加された電圧が切り替え回路によってそのまま
印加されるから、特に低電圧の外部電源Vcc(ex
t)=3.3Vを使用している場合において、従来例
のような、内部回路に供給する電圧の低下がないため半
導体装置の動作が遅くなるということはなく、また特
に電流駆動能力の大きいEPM,ENMからなるトラン
スファゲートを介して外部電源電圧を内部回路に供給し
た場合には、従来例に比例して、内部回路がスイッチン
グした際に貫通電流が流れることによって起きる内部電
源電圧のふらつきは充分小さくなるため電源電圧の変動
に敏感な回路の誤動作は従来例よりも起こり難くなると
いう効果がある。
【0034】以上述べたような効果,によって、使
用する外部電源電圧Vcc(ext)が3.3Vであっ
ても5Vであっても安定にかつ高速に動作する半導体装
置を提供できる。
【0035】また、本実施例においては、電源電圧検出
回路として図2,図7に示す構成を示し、切り替え回路
としては図3に示す構成を示したが、これらの回路構成
に限定されるものではなく、同一機能を持つものであれ
ばよい。
【0036】さらに、本実施例では外部電源電圧Vcc
(ext)=3.3Vとして説明したが、外部電源電圧
Vcc(ext)=3.0Vの場合であっても、あるい
は外部電源電圧Vcc(ext)の値がそれ以下の場合
であってもよい。この時、VIの値は外部電源電圧Vc
c(ext)の値に応じて設定されることはもちろんで
ある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例の半導体装置による内部
降圧回路のブロック図である。
【図2】図1中の電源電圧検出回路の一例を示す回路図
である。
【図3】図1中の切り替え回路の一例を示す回路図であ
る。
【図4】図1の電源電圧検出回路での入力節点や節点等
に現れる電圧変化のVcc(ext)依存性を示してい
る特性図である。
【図5】図1の切り替え回路での出力節点の電圧変化の
Vcc(ext)依存性を示す特性図である。
【図6】図1の内部降圧回路を有する半導体装置におい
て、内部回路をスイッチングさせた際の出力節点に現れ
る電圧波形の変化の様子を示す特性図である。
【図7】本発明の第2の実施例による内部降圧回路を実
現する電源電圧回路の一例を示す回路図である。
【図8】従来技術による内部降圧回路を示すブロック図
である。
【図9】従来技術による内部降圧回路において、外部電
源電圧依存性を示す特性図である。
【図10】従来技術による内部降圧回路を有した半導体
装置の内部回路をスイッチングさせたときの節点におけ
る電圧変化の様子を示した特性図である。
【符号の説明】
K 降圧回路 M 外部電源電圧検出回路 L 切り替え回路 K1 スイッチングの様子を最も良く示す内部回路の
任意の2箇所の節点での電圧波形 K2 内部回路のスイッチングの様子を示す波形 1 外部電源端子 2 内部回路電源線 3 内部回路 5 デコーダ回路 6 センスアンプ回路 7 制御回路

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 入力が外部電源端子に接続され、前記外
    部電源端子から印加された外部電源電圧よりも低い内部
    電源電圧に変換して出力する降圧回路と、入力が前記外
    部電源端子に接続され、前記外部電源電圧が、設定され
    た回路しきい値よりも高レベルの場合には出力に論理1
    を又は論理0を、低レベルの場合論理0又は論理1を出
    力する電源電圧検出回路と、第1の入力端と第2の入力
    端と制御端と出力端とを有し、前記第1の入力端に前記
    外部電源端子が接続され、前記第2の入力端に前記降圧
    回路の出力が接続され、前記制御端に前記電源電圧検出
    回路の出力が接続され、前記出力端が内部回路の電源線
    に接続され、前記制御端に印加された論理値信号によっ
    て前記出力端に前記降圧回路の出力電圧あるいは前記外
    部電源電圧のどちらかが印加されるように機能する切り
    替え回路とを備えたことを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】 電源電圧検出回路は、外部電源電圧の大
    きさを判定する判定電圧の値が3.3Vから5.0Vの
    間に設定されている請求項1に記載の半導体装置。
  3. 【請求項3】 電源電圧検出回路は、外部電源電圧の大
    きさを判定する判定電圧の値が2Vから3Vの間に設定
    されている請求項1に記載の半導体装置。
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