(57)【要約】【課題】動作状態のときに温度変化があった場合に、規定の動作周波数での動作を保証すること。【解決手段】半導体装置９０は、基板バイアスが印加されるバイアス被印加部９３と、温度を検出する温度センサ９１と、温度センサ９１により検出された温度に応じた基板バイアスを、バイアス被印加部９３に印加する基板バイアス生成器９２と、を含む。バイアス被印加部９３は、基板バイアス生成器９２により基板バイアスが印加された状態で動作状態と停止状態とを遷移する。基板バイアス生成器９２は、温度センサ９１により検出された温度において、バイアス被印加部９３の動作周波数の上限が規定値よりも低くならないように設定された基板バイアスを、バイアス被印加部９３に印加する。【選択図】図３
2019110218.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板バイアスが印加されるバイアス被印加部と、
温度を検出する温度センサと、
前記温度センサにより検出された温度に応じた基板バイアスを、前記バイアス被印加部に印加する基板バイアス生成器と、を含み、
前記バイアス被印加部は、前記基板バイアス生成器により前記基板バイアスが印加された状態で動作状態と停止状態とを遷移し、
前記基板バイアス生成器は、前記温度センサにより検出された温度において、前記バイアス被印加部の動作周波数の上限が規定値よりも低くならないように設定された前記基板バイアスを、前記バイアス被印加部に印加する、
半導体装置。
【請求項２】
前記バイアス被印加部に複数の電源電圧のいずれかを供給するスイッチをさらに含み、
前記基板バイアス生成器は、前記温度センサにより検出された温度かつ前記バイアス被印加部が使用している電源電圧において、前記バイアス被印加部の動作周波数の上限が規定値よりも低くならないように設定された前記基板バイアスを、前記バイアス被印加部に印加する、
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記バイアス被印加部は、前記複数の電源電圧のうちの少なくとも１つの電源電圧を使用したときの動作周波数が、他の電源電圧を使用したときの動作周波数よりも高い、
請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記温度センサにより検出された温度を閾値温度と比較する比較器をさらに含み、
前記基板バイアス生成器は、前記比較器による比較結果に応じて変化する前記基板バイアスを、前記バイアス被印加部に印加する、
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記比較器は、
前記閾値温度として第１の閾値温度及び前記第１の閾値温度よりも高い第２の閾値温度が設定され、
前記バイアス被印加部が前記第１の閾値温度よりも高温側の動作領域で動作している場合は、前記温度センサにより検出された温度を前記第１の閾値温度と比較し、
前記バイアス被印加部が前記第２の閾値温度よりも低温側の動作領域で動作している場合は、前記温度センサにより検出された温度を前記第２の閾値温度と比較する、
請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記基板バイアス生成器は、前記温度センサにより検出された温度に応じて変化する前記基板バイアスを、前記バイアス被印加部に印加する、
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記基板バイアス生成器は、前記バイアス被印加部に印加する前記基板バイアスを切り替える場合、前記バイアス被印加部が停止状態のときに前記基板バイアスを切り替える、
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記バイアス被印加部が複数存在する場合、前記基板バイアス生成器は、複数の前記バイアス被印加部にそれぞれ対応して複数設けられ、
複数の前記基板バイアス生成器の各々は、互いに独立に、対応する前記バイアス被印加部に前記基板バイアスを印加する、
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項９】
複数の前記バイアス被印加部のうちの少なくとも１つは、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）構造のトランジスタを用いた回路を含む、
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記ＳＯＩ構造のトランジスタは、Buried Oxide層の厚さが２０ｎｍ以下である、
請求項９に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記基板バイアスは、逆方向基板バイアスである、
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記バイアス被印加部が使用する電源電圧は、前記バイアス被印加部における動作周波数の上限の温度依存性が負の傾きを示す電源電圧である、
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項１３】
請求項１に記載の半導体装置と、
前記半導体装置にセンサデータを出力するセンサ群と、を備え、
前記バイアス被印加部は、前記センサ群から出力されたセンサデータを基に、所定の演算を行う回路を含む、
センサ端末。
【請求項１４】
基板バイアスが印加されるバイアス被印加部を含む半導体装置の制御方法であって、
温度を検出し、
前記検出された温度において、前記バイアス被印加部の動作周波数の上限が規定値よりも低くならないように設定された前記基板バイアスを、前記バイアス被印加部に印加し、
前記バイアス被印加部が、前記基板バイアスが印加された状態で動作状態と停止状態とを遷移する、
半導体装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関し、例えば、バイアス被印加部に基板バイアスを印加する基板バイアス制御を行う半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置においては、リーク電流を低減するために、対象の回路部の基板領域に基板バイアスを印加する基板バイアス制御が行われることがある。ただし、半導体装置のリーク電流は、温度によって変動し、高温時に増大する。
【０００３】
そのため、例えば、特許文献１に記載の技術では、温度をリアルタイムで検出し、検出した温度に応じて、機能ブロックに供給する基板バイアスを変化させている。このように、温度に応じて基板バイアスを変化させることにより、基板バイアスが一定の場合と比較して、温度変化（特に高温への変化）があった場合にもリーク電流を低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１１６０１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように、特許文献１に開示された技術は、基板バイアスを制御して、リーク電流を低減する技術である。一般に、半導体装置において、スタンバイ状態の電流は、リーク電流が支配的である。そのため、特許文献１に開示された技術は、スタンバイ状態のときにリーク電流を低減する技術であると考えられる。
【０００６】
ただし、半導体装置は、動作状態のときに規定の動作周波数での動作を保証する必要があり、そのためには、温度変化があった場合に動作周波数の上限が規定の動作周波数よりも低くならないようにする必要がある。しかし、特許文献１に記載の技術は、スタンバイ状態のときにリーク電流を低減する技術であるため、動作状態のときに温度変化があった場合に、規定の動作周波数での動作を保証することはできないという問題があった。
【０００７】
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一実施の形態によれば、半導体装置は、基板バイアスが印加されるバイアス被印加部と、温度を検出する温度センサと、温度センサにより検出された温度に応じた基板バイアスを、バイアス被印加部に印加する基板バイアス生成器と、を含んでいる。ここで、バイアス被印加部は、基板バイアス生成器により基板バイアスが印加された状態で動作状態と停止状態とを遷移する。また、基板バイアス生成器は、温度センサにより検出された温度において、バイアス被印加部の動作周波数の上限が規定値よりも低くならないように設定された基板バイアスを、バイアス被印加部に印加する。
【発明の効果】
【０００９】
前記一実施の形態によれば、上述した課題の解決に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】トランジスタの一般的な特性を示す図である。
【図１Ｂ】一般的なインバータ回路の回路図である。
【図１Ｃ】一般的なインバータ回路の断面図である。
【図２】図１Ａに示される特性を持つトランジスタを用いた半導体装置の一般的な特性を示す図である。
【図３】基本例に係る半導体装置の構成例を示すブロック図である。
【図４】基本例に係る基板バイアスの例を示す図である。
【図５】基本例に係る半導体装置が高温側で動作している状態の例を示す図である。
【図６】基本例に係る半導体装置が低温側で動作している状態の例を示す図である。
【図７】実施の形態１に係る半導体装置の構成例を示すブロック図である。
【図８】実施の形態１に係る基板バイアスの例を示す図である。
【図９】実施の形態１に係るバイアス被印加部の動作周波数の上限の温度依存性を、電源電圧毎に示す図である。
【図１０】実施の形態１に係る半導体装置が高温側で動作している状態の例を示す図である。
【図１１】実施の形態１に係る半導体装置が低温側で動作している状態の例を示す図である。
【図１２】実施の形態１に係る半導体装置の動作タイミングを示すタイムチャートである。
【図１３】実施の形態２に係る半導体装置の構成例を示すブロック図である。
【図１４】実施の形態２に係る基板バイアスの例を示す図である。
【図１５】実施の形態２に係る基板バイアスの例を示す図である。
【図１６】実施の形態２に係る半導体装置が低温側で動作している状態の例を示す図である。
【図１７】実施の形態２に係る半導体装置が高温側で動作している状態の例を示す図である。
【図１８】実施の形態３に係る半導体装置の構成例を示すブロック図である。
【図１９】実施の形態に係る半導体装置を適用したセンサ端末の構成例を示すブロック図である。
【図２０】実施の形態１に係る基準電圧生成器が生成する基準電圧の設定例を示す図である。
【図２１】実施の形態１，２に係る基板バイアス制御の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下の記載及び図面は、説明の明確化のため、適宜、省略及び簡略化がなされている。また、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。また、各実施の形態で示す具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、これに限定されるものではない。
【００１２】
＜各実施の形態の使用条件＞
最初に、以下で説明する各実施の形態で想定している使用条件について説明する。
近年、半導体装置は、ＩｏＴ（Internet of Things）向けのセンサ端末や、エナジーハーベスト電源を用いたシステムへ適用することが増えており、それに伴い、低電源電圧化、処理速度の向上、及び温度変化への対応といった要求が高まっている。
ここで、図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃ、及び図２を参照して、トランジスタの一般的な特性及びそのトランジスタを用いた半導体装置の一般的な特性について説明する。
【００１３】
図１Ａに示されるように、トランジスタは、一般的には、ゲート電圧が低い領域では、低温でドレイン電流が減少するという特性を持つ。
そのため、図１Ａに示される特性を持つトランジスタを用いた半導体装置を低電源電圧領域で動作させると、トランジスタは、ゲート電圧が低くなるため、低温でドレイン電流が減少する。
ここで、図１Ｂおよび図１Ｃに示されるインバータ回路を例にして、ＰＭＯＳトランジスタおよびＮＭＯＳトランジスタに印加される電位を説明する。ＰＭＯＳトランジスタのソース電極Ｓ（Ｐ）には電源電圧ＶＤＤが印加されて、ＮＭＯＳトランジスタのソース電極Ｓ（Ｎ）にはグランド電圧ＶＳＳ（ＧＮＤ）が印加される。ＰＭＯＳトランジスタのゲート端子Ｇ（Ｐ）およびＮＭＯＳトランジスタのゲート端子Ｇ（Ｎ）は共通に接続されてインバータ回路の入力端子ＩＮとなり、ＰＭＯＳトランジスタのドレイン端子Ｄ（Ｐ）およびＮＭＯＳトランジスタのドレイン端子Ｄ（Ｐ）は共通に接続されてインバータ回路の出力端子ＯＵＴとなる。ＰＭＯＳトランジスタの基板端子Ｂ（Ｐ）は、通常、電源電圧ＶＤＤが印加されるが、電源電圧ＶＤＤとは独立した電圧である基板バイアスＶＢＢ（Ｐ）を印加することにより、ＰＭＯＳトランジスタの特性を制御することができる。基板バイアスＶＢＢ（Ｐ）は、例えば、基板バイアス生成器（ＰＭＯＳ用）で発生し、ＰＭＯＳトランジスタの下方のｎウェル領域に印加される。同様に、ＮＭＯＳトランジスタの基板端子Ｂ（Ｎ）は、通常、グランド電位ＶＳＳが印加されるが、グランド電圧とは独立した電圧である基板バイアスＶＢＢ（Ｎ）を印加することにより、ＮＭＯＳトランジスタの特性を制御することができる。基板バイアスＶＢＢ（Ｎ）は、例えば、基板バイアス生成器（ＮＭＯＳ用）で発生し、ＮＭＯＳトランジスタの下方のｐウェル領域に印加される。ＰＭＯＳトランジスタあるいはＮＭＯＳトランジスタのドレイン電流が増大するとインバータ回路の動作周波数は向上し、減少すると動作周波数は低下することになる。
【００１４】
従って、図２に示されるように、図１Ａに示される特性を持つトランジスタを用いた半導体装置は、低温でドレイン電流が減少することに起因して、低温で動作周波数の上限が低下する。
【００１５】
半導体装置は、高電源電圧領域では、高温で動作周波数の上限が低下するという特性があったため、上述のように、低電源電圧領域では、低温で動作周波数の上限が低下するという現象は、半導体装置の低電源電圧化により見えてきた新しい課題である。さらに、半導体装置は、図２に示されるように、逆方向基板バイアスを印加しても動作周波数の上限が変動する。
【００１６】
従って、半導体装置において、低電源電圧、低温、及び逆方向基板バイアス印加という条件は、動作周波数の上限の確保という観点では、最悪条件となる。
そこで以下で説明する各実施の形態では、半導体装置は、使用温度範囲内において、低電源電圧、低温、及び逆方向基板バイアス印加という最悪の使用条件下で、動作状態での動作周波数の上限の確保を実現するものとする。なお、低電源電圧とは、例えば、１Ｖ以下の電圧であり、また、低温とは、例えば、−５℃以下の温度であることを想定している。しかし、この数値は発明の理解を容易とするための例示にすぎず、これに限定されるものではない。
【００１７】
＜基本例＞
続いて、以下で説明する各実施の形態の基本となる基本例について説明する。
＜基本例の構成＞
まず、図３を参照して、本基本例に係る半導体装置９０の構成例について説明する。図３に示されるように、本基本例に係る半導体装置９０は、温度センサ９１と、基板バイアス生成器９２と、バイアス被印加部９３と、を含む。
【００１８】
温度センサ９１は、温度を検出し、検出した温度に関する信号を基板バイアス生成器９２に出力する。温度センサ９１は半導体装置９０に搭載されているため、温度センサ９１が検出する温度は、半導体装置９０が配置されている環境の温度となる。
【００１９】
基板バイアス生成器９２は、温度センサ９１により検出された温度に応じた基板バイアスを生成し、生成した基板バイアスをバイアス被印加部９３の基板領域に印加する。基板バイアスはＰＭＯＳトランジスタの基板バイアスとＮＭＯＳトランジスタの基板バイアスのどちらか一方または両方を含む。
バイアス被印加部９３は、基板バイアス生成器９２により基板バイアスが基板領域に印加される。バイアス被印加部９３は、少なくとも動作状態と停止状態との２状態に遷移することが可能で、かつ、動作周波数（処理速度）が定義可能な回路部であるとする。
【００２０】
ここで、バイアス被印加部９３は、基板バイアス生成器９２により基板バイアスが印加された状態で、動作状態と停止状態とを遷移する。
基板バイアス生成器９２は、温度センサ９１により検出された温度において、バイアス被印加部９３の動作周波数の上限が規定値よりも低くならないように設定された基板バイアスを生成し、生成した基板バイアスをバイアス被印加部９３に印加する。バイアス被印加部９３の動作周波数の上限は、バイアス被印加部９３にて所定の動作が可能な最大の周波数であり、温度によって変動する。
【００２１】
＜基本例の動作＞
続いて、図４〜図６を参照して、本基本例に係る半導体装置９０の動作例について説明する。ここでは、バイアス被印加部９３の規定の動作周波数はＦ１であり、バイアス被印加部９３には逆方向基板バイアス（ソース電圧であるグランド電圧ＶＳＳより低い電圧）を印加するものとする。以降、ＮＭＯＳトランジスタについて説明しているが、ＰＭＯＳトランジスタの場合には、逆方向基板バイアスは、ソース電圧である電源電圧ＶＤＤより高い電圧となる。
【００２２】
図４に示されるように、基板バイアス生成器９２は、温度センサ９１により検出された温度が閾値温度Ｔ０よりも高い場合は、基板バイアスＶＢＢ１をバイアス被印加部９３に印加する。また、基板バイアス生成器９２は、温度がＴ０以下の場合は、基板バイアスＶＢＢ１よりも大きな（マイナス方向に小さな）基板バイアスＶＢＢ２をバイアス被印加部９３に印加する。
【００２３】
例えば、図５に示されるように、バイアス被印加部９３は、温度がＴ０よりも高い場合は、基板バイアスＶＢＢ１が印加された状態で、高温側の第１の動作領域で動作を行っている。しかし、バイアス被印加部９３は、基板バイアスＶＢＢ１が印加されたまま温度が低くなると、動作領域が、バイアス被印加部９３の動作周波数の上限がＦ１よりも低い領域（図中の斜線領域。以下同じ）に重なってしまい、規定の動作周波数Ｆ１で動作できなくなる場合が出てくる。
【００２４】
そのため、温度がＴ０以下になった場合には、上述のように、基板バイアス生成器９２は、バイアス被印加部９３に印加する基板バイアスを、基板バイアスＶＢＢ２に切り替える。これにより、図６に示されるように、バイアス被印加部９３の動作周波数の上限がＦ１よりも低い領域は、低温かつ低電源電圧側に縮小されるように変化する。そのため、バイアス被印加部９３は、低温側の第２の動作領域で動作を行っても、規定の動作周波数Ｆ１以上の動作を達成することができる。
【００２５】
このように、基板バイアスＶＢＢ１又はＶＢＢ２のどちらをバイアス被印加部９３に印加した場合であっても、バイアス被印加部９３の動作周波数の上限がＦ１よりも低くならないようにすることが可能である。
【００２６】
＜基本例の効果＞
上述のように本基本例においては、基板バイアス生成器９２は、温度センサ９１により検出された温度において、バイアス被印加部９３の動作周波数の上限が規定値よりも低くならないように設定された基板バイアスを、バイアス被印加部９３に印加する。また、バイアス被印加部９３は、基板バイアス生成器９２により基板バイアスが印加された状態で、動作状態と停止状態とを遷移する。そのため、バイアス被印加部９３は、動作状態のときに温度が変化した場合にも、動作周波数の上限が規定の動作周波数よりも低くならないようにすることができる。つまり、温度が変化した場合であっても、バイアス被印加部９３の規定の動作周波数での動作を保証することができる。
【００２７】
以下、上述の基本例をより具体化した実施の形態について説明する。
＜実施の形態１＞
＜実施の形態１の構成＞
まず、図７を参照して、本実施の形態１に係る半導体装置１０の構成例について説明する。図７に示されるように、本実施の形態１に係る半導体装置１０は、温度センサ１１と、基準電圧生成器１２と、ヒステリシス・コンパレータ１３と、基板バイアス生成器１４と、バイアス被印加部１５と、を含む。温度センサ１１、基板バイアス生成器１４、及びバイアス被印加部１５は、それぞれ、図３の温度センサ９１、基板バイアス生成器９２、及びバイアス被印加部９３に対応する。ヒステリシス・コンパレータ１３は、比較部の一例である。
【００２８】
温度センサ１１は、温度を検出し、検出した温度に対応する電圧をヒステリシス・コンパレータ１３に出力する。温度センサ１１は半導体装置１０に搭載されているため、温度センサ１１が検出する温度は、半導体装置１０が配置されている環境の温度となる。
【００２９】
基準電圧生成器１２は、基準電圧を生成し、生成した基準電圧をヒステリシス・コンパレータ１３に出力する。基準電圧生成器１２が生成する基準電圧は、閾値温度Ｔ１と閾値温度Ｔ２（Ｔ２＞Ｔ１）との間の範囲内にある温度に対応する電圧となる。閾値温度Ｔ１は、バイアス被印加部１５が閾値温度Ｔ１よりも高温側の第１の動作領域で動作しているときの基板バイアス制御の閾値温度となる。閾値温度Ｔ２は、バイアス被印加部１５が閾値温度Ｔ２よりも低温側の第２の動作領域で動作しているときの基板バイアス制御の閾値温度となる。なお、バイアス被印加部１５が閾値温度Ｔ１と閾値温度Ｔ２との間の範囲内にある温度の動作領域で動作しているときは、基板バイアスの閾値温度は、例えば、高温側から温度が低くなった場合は閾値温度Ｔ１を使用し、低温側から温度が高くなった場合は閾値温度Ｔ２を使用すればよい。
【００３０】
ヒステリシス・コンパレータ１３は、温度センサ１１から出力された電圧と、基準電圧生成器１２から出力された基準電圧に応じた電圧と、を比較し、その比較結果をデジタル値で基準電圧生成器１２に出力する。ここでは、温度センサ１１から出力された電圧の方が高ければＨを、そうでなければＬを出力するものとする。ここで、温度センサ１１から出力された電圧は現在の温度に対応し、基準電圧生成器１２から出力された基準電圧は基板バイアス制御で閾値温度とする温度に対応している。そのため、ヒステリシス・コンパレータ１３による電圧の比較は、現在の温度と基板バイアス制御で閾値温度とする温度との比較を意味する。
【００３１】
ただし、基板バイアス制御の閾値温度は、バイアス被印加部１５の現在の動作領域にも依存する。具体的には、基準電圧生成器１２から出力された基準電圧は、閾値温度Ｔ１と閾値温度Ｔ２（Ｔ２＞Ｔ１）との間の範囲内にある温度に対応する電圧である。ヒステリシス・コンパレータ１３は、現在の温度を基に、バイアス被印加部１５が高温側の第１の動作領域又は低温側の第２の動作領域のどちらで動作しているか判定する。ヒステリシス・コンパレータ１３は、閾値温度Ｔ１よりも高温側の第１の動作領域で動作していれば、温度センサ１１から出力された電圧を、閾値温度Ｔ１に対応する電圧と比較する。一方、ヒステリシス・コンパレータ１３は、閾値温度Ｔ２よりも低温側の第２の動作領域で動作していれば、温度センサ１１から出力された電圧を、閾値温度Ｔ２に対応する電圧と比較する。このように、閾値温度にＴ２−Ｔ１だけ幅を持たせることにより、ヒステリシス・コンパレータ１３の出力が温度ゆらぎによって不安定になることを防ぐことが可能となる。
【００３２】
基板バイアス生成器１４は、ヒステリシス・コンパレータ１３から出力されたデジタル値をレジスタ１４１に記憶する。また、基板バイアス生成器１４は、例えば、以下の表１のように、ヒステリシス・コンパレータ１３から出力されたデジタル値に応じて基板バイアスが変化するように設定されたテーブルを、レジスタ１４１に保持する。そして、基板バイアス生成器１４は、レジスタ１４１に記憶したデジタル値と、表１のテーブルの内容と、に応じた基板バイアスを生成し、生成した基板バイアスをバイアス被印加部１５の基板領域に印加する。
【表１】
2019110218.tif 000003
【００３３】
表１によれば、基板バイアス生成器１４は、ヒステリシス・コンパレータ１３から出力されたデジタル値がＨである場合は、基板バイアスＶＢＢ１を生成する。また、基板バイアス生成器１４は、ヒステリシス・コンパレータ１３から出力されたデジタル値がＬである場合は、基板バイアスＶＢＢ１よりも大きな（マイナス方向に小さな）基板バイアスＶＢＢ２を生成する。
【００３４】
バイアス被印加部１５は、基板バイアス生成器１４により基板バイアスが基板領域に印加される。バイアス被印加部１５は、少なくとも動作状態と停止状態との２状態に遷移することが可能で、かつ、動作周波数（処理速度）が定義可能な回路部であるとする。また、バイアス被印加部１５は、基板バイアス生成器１４により基板バイアスが印加された状態で、動作状態と停止状態とを遷移する。バイアス被印加部１５は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）、アナログ回路等の回路を含む回路部とすることが可能である。ここでは、バイアス被印加部１５は、ＣＰＵ１５１を含み、データ転送、データ処理、デジタル値やアナログ値の演算等の回路動作を行う回路部であるものとする。
【００３５】
＜実施の形態１の動作＞
続いて、図８〜図１２を参照して、本実施の形態１に係る半導体装置１０の動作例について説明する。ここでは、バイアス被印加部１５の規定の動作周波数はＦ１であり、バイアス被印加部１５には逆方向基板バイアス（ソース電圧であるグランド電圧ＶＳＳより低い電圧）を印加するものとする。
【００３６】
ヒステリシス・コンパレータ１３は、バイアス被印加部１５が閾値温度Ｔ１よりも高温側の第１の動作領域で動作していれば、温度センサ１１から出力された電圧を、閾値温度Ｔ１に対応する電圧と比較し、その比較結果を示すデジタル値を出力する。一方、ヒステリシス・コンパレータ１３は、バイアス被印加部１５が閾値温度Ｔ２よりも低温側の第２の動作領域で動作していれば、温度センサ１１から出力された電圧を、閾値温度Ｔ２に対応する電圧と比較し、その比較結果を示すデジタル値を出力する。
【００３７】
従って、図８に示されるように、基板バイアス生成器１４は、バイアス被印加部１５が高温側の第１の動作領域で動作しているときに現在の温度が閾値温度Ｔ１以下になると、基板バイアスＶＢＢ２を出力する。また、基板バイアス生成器１４は、バイアス被印加部１５が低温側の第１の動作領域で動作しているときに現在の温度が閾値温度Ｔ２よりも大きくなると、基板バイアスＶＢＢ１を出力する。
【００３８】
バイアス被印加部１５は、低い電源電圧ＶＤＤ１で動作する。電源電圧ＶＤＤ１は、具体的には、図９に示されるように、バイアス被印加部１５における動作周波数の上限の温度依存性が、基板バイアスを印加しない状態で正の傾きとなる低電源電圧とする。例えば、電源電圧ＶＤＤ１は、１Ｖ以下とし、より具体的には、ＶＤＤ１＝０．７５Ｖとする。
【００３９】
バイアス被印加部１５の動作周波数の上限は、バイアス被印加部１５にて所定の動作が可能な最大の周波数であり、バイアス被印加部１５に用いられるトランジスタの温度依存性に起因して、温度によって変動する。
【００４０】
例えば、図１０に示されるように、バイアス被印加部１５は、温度がＴ１よりも高い場合は、基板バイアスＶＢＢ１が印加された状態で、高温側の第１の動作領域で動作を行っている。しかし、バイアス被印加部１５は、基板バイアスＶＢＢ１が印加されたまま温度が低くなると、規定の動作周波数Ｆ１で動作できなくなる場合が出てくる。
【００４１】
そのため、温度がＴ１以下になった場合には、上述のように、基板バイアス生成器１４は、バイアス被印加部１５に印加する基板バイアスを、基板バイアスＶＢＢ２に切り替える。これにより、図１１に示されるように、バイアス被印加部１５の動作周波数の上限がＦ１よりも低い領域は、低温かつ低電源電圧側に縮小されるように変化する。そのため、バイアス被印加部１５は、低温側の第２の動作領域で動作を行っても、規定の動作周波数Ｆ１以上の動作を達成することができる。
【００４２】
なお、規定の動作周波数Ｆ１は、生産管理上の値であってもよいし、データシート上の値であってもよく、例えば、Ｆ１＝１６ＭＨｚとする。基板バイアスは、例えば、ＶＢＢ１＝−１Ｖ、ＶＢＢ２＝−０．８Ｖであり、ＶＢＢ１の方がトランジスタの電流をより小さく、即ちトランジスタの閾値電圧をより上げる方向に働く。また、基板バイアスは、逆方向基板バイアスとして説明しているが、矛盾が生じない範囲で、正方向基板バイアスに読み替えてよい。正方向基板バイアスとする場合は、低温になるほど、基板バイアスを大きくする（プラス方向に大きくする）。なお、ここでの逆方向はＮＭＯＳトランジスタを基準にした表現である。また、閾値温度は、例えば、Ｔ１＝−５℃、Ｔ２＝０℃とする。
【００４３】
図１２に示されるように、バイアス被印加部１５は、動作状態と停止状態とを繰り返す間欠動作をする。間欠動作をしている期間に、温度が変化していなければ、一定の基板バイアスがバイアス被印加部１５に印加される。温度センサ１１による温度の検出及びヒステリシス・コンパレータ１３による温度の比較は、バイアス被印加部１５が動作状態の間に行われる（時刻ｔ１，ｔ２，ｔ４）。例えば、時刻ｔ２の温度の検出・比較の結果、バイアス被印加部１５に印加する基板バイアスを切り替える必要があった場合、基板バイアス生成器１４は、バイアス被印加部１５が停止状態になった時刻ｔ３のタイミングで基板バイアスの切り替えを開始する（ここでは、基板バイアスＶＢＢ１からＶＢＢ２へ切り替える）。バイアス被印加部１５が停止状態のときに、バイアス被印加部１５に印加される基板バイアスの値を変化させることにより、バイアス被印加部１５が、停止状態から動作状態に遷移した後に、温度の影響で動作しなくなるというリスクを低減することができる。
【００４４】
本実施の形態１によれば、バイアス被印加部１５は、使用温度範囲内で、基板バイアスが印加された状態でも、規定の動作周波数Ｆ１での動作が保証されるため、基板バイアスを印加したまま動作状態と停止状態とを繰り返すことができる。特許文献１の場合は、リーク電流の低減のために停止状態のときにのみ基板バイアスを印加するため、基板バイアスの切り替え時間が動作状態・停止状態の遷移時間に影響してしまう。これに対して本実施の形態１の場合は、動作状態・停止状態の遷移のときも基板バイアスを印加するため、基板バイアスの切り替えは遷移時間に影響せず、遷移時間を短くでき、動作時間と動作電流を低減することができる。
【００４５】
＜実施の形態１の効果＞
上述のように本実施の形態１においては、基板バイアス生成器１４は、温度センサ１１により検出された温度において、バイアス被印加部１５の動作周波数の上限が規定値よりも低くならないように設定された基板バイアスを、バイアス被印加部１５に印加する。また、バイアス被印加部１５は、基板バイアス生成器１４により基板バイアスが印加された状態で、動作状態と停止状態とを遷移する。そのため、バイアス被印加部１５は、動作状態のときに温度が変化した場合にも、動作周波数の上限が規定の動作周波数よりも低くならないようにすることができる。つまり、温度が変化した場合であっても、バイアス被印加部１５の規定の動作周波数での動作を保証することができる。
【００４６】
また、温度が変化した場合にも、バイアス被印加部１５は、基板バイアスが印加されたまま、停止状態だけでなく動作状態にも遷移する。これにより、バイアス被印加部１５の動作状態・停止状態の遷移のときの基板バイアスの切り替え時間がなくなるため、動作時間を短くし、全体の動作電流を低減することができる。
【００４７】
＜実施の形態２＞
上述の実施の形態１では、バイアス被印加部１５は、１つの電源電圧を使用して動作していた。これに対して、本実施の形態２では、バイアス被印加部１５は、複数の電源電圧のいずれかを使用して動作する。複数の電源電圧は、少なくとも１つの電源電圧を使用したときのバイアス被印加部１５の動作周波数が、他の電源電圧を使用したときのバイアス被印加部１５の動作周波数よりも高くなるものとする。ここでは、バイアス被印加部１５は、実施の形態１と同様の低い電源電圧ＶＤＤ１と、高い電源電圧ＶＤＤ２と、を含む２つの電源電圧のいずれかを使用して動作するものとする。バイアス被印加部１５は、電源電圧ＶＤＤ２を使用したときの動作周波数が、電源電圧ＶＤＤ１を使用したときの動作周波数よりも高くなる。
【００４８】
＜実施の形態２の構成＞
まず、図１３を参照して、本実施の形態２に係る半導体装置２０の構成例について説明する。図１３に示されるように、本実施の形態２に係る半導体装置２０は、上述の実施の形態１に係る半導体装置１０と比較して、スイッチ１６を追加した点が異なる。
【００４９】
スイッチ１６は、電源電圧ＶＤＤ１又はＶＤＤ２のいずれかをバイアス被印加部１５に供給する。電源電圧ＶＤＤ１は、実施の形態１で説明した低電源電圧である。一方、電源電圧ＶＤＤ２は、ＶＤＤ１よりも大きく、バイアス被印加部１５における動作周波数の上限の温度依存性が、基板バイアスを印加しない状態で負の傾き（図９参照）となる高電源電圧である。
【００５０】
バイアス被印加部１５は、スイッチ１６により供給された電源電圧ＶＤＤ１又はＶＤＤ２のいずれかを使用して動作する。
基準電圧生成器１２及び基板バイアス生成器１４には、バイアス被印加部１５における電源電圧の使用状況（電源電圧ＶＤＤ１又はＶＤＤ２のどちらの電源電圧を使用しているか）を示す制御信号が不図示の制御部から入力される。
【００５１】
基準電圧生成器１２は、バイアス被印加部１５が電源電圧ＶＤＤ１を使用している場合は、実施の形態１で説明した基準電圧を生成し、生成した基準電圧をヒステリシス・コンパレータ１３に出力する。
【００５２】
一方、基準電圧生成器１２は、バイアス被印加部１５が電源電圧ＶＤＤ２を使用している場合は、閾値温度Ｔ４と閾値温度Ｔ３（Ｔ３＞Ｔ４）との間の範囲内にある温度に対応する基準電圧を生成し、生成した基準電圧をヒステリシス・コンパレータ１３に出力する。閾値温度Ｔ４は、バイアス被印加部１５が閾値温度Ｔ４よりも高温側の第４の動作領域で動作しているときの基板バイアス制御の閾値温度となる。閾値温度Ｔ３は、バイアス被印加部１５が閾値温度Ｔ３よりも低温側の第３の動作領域で動作しているときの基板バイアス制御の閾値温度となる。なお、バイアス被印加部１５が閾値温度Ｔ４と閾値温度Ｔ３との間の範囲内にある温度の動作領域で動作しているときは、基板バイアスの閾値温度は、例えば、高温側から温度が低くなった場合は閾値温度Ｔ４を使用し、低温側から温度が高くなった場合は閾値温度Ｔ３を使用すればよい。
【００５３】
ヒステリシス・コンパレータ１３は、基準電圧生成器１２から、Ｔ１とＴ２との間の範囲内にある温度に対応する基準電圧が出力されている場合は、実施の形態１で説明した比較を行い、その比較結果をデジタル値として基板バイアス生成器１４に出力する。
【００５４】
一方、ヒステリシス・コンパレータ１３は、基準電圧生成器１２から、Ｔ３とＴ４との間の範囲内にある温度に対応する基準電圧が出力されている場合は、バイアス被印加部１５が高温側の第４の動作領域で動作していれば、温度センサ１１から出力された電圧を、閾値温度Ｔ４に対応する電圧と比較し、また、バイアス被印加部１５が低温側の第３の動作領域で動作していれば、温度センサ１１から出力された電圧を、閾値温度Ｔ３に対応する電圧と比較する。ヒステリシス・コンパレータ１３は、その比較結果をデジタル値として基板バイアス生成器１４に出力する。
【００５５】
基板バイアス生成器１４は、ヒステリシス・コンパレータ１３から出力されたデジタル値をレジスタ１４１に記憶する。また、基板バイアス生成器１４は、例えば、以下の表２のように、ヒステリシス・コンパレータ１３から出力されたデジタル値及びバイアス被印加部１５が使用する電源電圧に応じて基板バイアスが変化するように設定されたテーブルを、レジスタ１４１に保持する。そして、基板バイアス生成器１４は、レジスタ１４１に記憶したデジタル値と、バイアス被印加部１５における電源電圧の使用状況を示す制御信号の値と、表２のテーブルの内容と、に応じた基板バイアスを生成し、生成した基板バイアスをバイアス被印加部１５の基板領域に印加する。
【表２】
2019110218.tif 000004
【００５６】
表２によれば、基板バイアス生成器１４は、バイアス被印加部１５が電源電圧ＶＤＤ１を使用し、ヒステリシス・コンパレータ１３から出力されたデジタル値がＨである場合は、基板バイアスＶＢＢ１を生成する。また、基板バイアス生成器１４は、バイアス被印加部１５が電源電圧ＶＤＤ１を使用し、ヒステリシス・コンパレータ１３から出力されたデジタル値がＬである場合は、基板バイアスＶＢＢ１よりも大きな（マイナス方向に小さな）基板バイアスＶＢＢ２を生成する。
【００５７】
また、基板バイアス生成器１４は、バイアス被印加部１５が電源電圧ＶＤＤ２を使用し、ヒステリシス・コンパレータ１３から出力されたデジタル値がＬである場合は、基板バイアスＶＢＢ３を生成する。また、基板バイアス生成器１４は、バイアス被印加部１５が電源電圧ＶＤＤ２を使用し、ヒステリシス・コンパレータ１３から出力されたデジタル値がＨである場合は、基板バイアスＶＢＢ３よりも大きな（マイナス方向に小さな）基板バイアスＶＢＢ４を生成する。
【００５８】
＜実施の形態２の動作＞
続いて、図１４〜図１７を参照して、本実施の形態２に係る半導体装置２０の動作例について説明する。ここでは、バイアス被印加部１５において、電源電圧ＶＤＤ１を使用している場合の規定の動作周波数はＦ１であり、電源電圧ＶＤＤ２を使用している場合の規定の動作周波数はＦ２（Ｆ２＞Ｆ１）であり、バイアス被印加部１５には逆方向基板バイアス（ソース電圧であるグランド電圧ＶＳＳより低い電圧）を印加するものとする。
【００５９】
バイアス被印加部１５が電源電圧ＶＤＤ１を使用している場合の動作は、実施の形態１と同様である。バイアス被印加部１５は、電源電圧ＶＤＤ２を使用している場合、ＶＤＤ１を使用している場合とは動作領域が異なっており、動作周波数の上限が高くなる。そのため、バイアス被印加部１５を、動作周波数を上げて処理させることができる。よって、バイアス被印加部１５がＶＤＤ２を使用している場合には、バイアス被印加部１５の動作周波数の上限が、Ｆ１よりも高いＦ２よりも低くならないように基板バイアスが設計される。また、ＶＤＤ２は、動作周波数の上限の温度依存性が負の傾きを示すため、動作周波数の上限の確保という観点では、高温側で最悪条件となる。これらの理由により、ＶＤＤ２を使用している場合は、ＶＤＤ１を使用している場合とは異なる基板バイアス制御を行う。
【００６０】
ヒステリシス・コンパレータ１３は、バイアス被印加部１５が電源電圧ＶＤＤ１を使用している場合は、実施の形態1で説明した動作を行う。すなわち、ヒステリシス・コンパレータ１３は、バイアス被印加部１５が高温側の第１の動作領域で動作していれば、温度センサ１１から出力された電圧を、閾値温度Ｔ１に対応する電圧と比較し、また、バイアス被印加部１５が低温側の第２の動作領域で動作していれば、温度センサ１１から出力された電圧を、閾値温度Ｔ２に対応する電圧と比較する。
【００６１】
従って、図１４に示されるように、基板バイアス生成器１４は、バイアス被印加部１５が電源電圧ＶＤＤ１を使用し、高温側の第１の動作領域で動作している場合に、現在の温度が閾値温度Ｔ１以下になると、基板バイアスＶＢＢ２を出力する。また、基板バイアス生成器１４は、基板バイアス生成器１４は、バイアス被印加部１５がＶＤＤ１を使用し、バイアス被印加部１５が低温側の第２の動作領域で動作している場合に、現在の温度が閾値温度Ｔ２よりも大きくなると、基板バイアスＶＢＢ１を出力する。
【００６２】
一方、ヒステリシス・コンパレータ１３は、バイアス被印加部１５が電源電圧ＶＤＤ２を使用している場合は、バイアス被印加部１５が高温側の第４の動作領域で動作していれば、温度センサ１１から出力された電圧を、閾値温度Ｔ４に対応する電圧と比較し、また、バイアス被印加部１５が低温側の第３の動作領域で動作していれば、温度センサ１１から出力された電圧を、閾値温度Ｔ３に対応する電圧と比較する。
【００６３】
従って、図１５に示されるように、基板バイアス生成器１４は、バイアス被印加部１５が電源電圧ＶＤＤ２を使用し、高温側の第４の動作領域で動作している場合に、現在の温度が閾値温度Ｔ４以下になると、基板バイアスＶＢＢ３を出力する。また、基板バイアス生成器１４は、基板バイアス生成器１４は、バイアス被印加部１５がＶＤＤ２を使用し、バイアス被印加部１５が低温側の第３の動作領域で動作している場合に、現在の温度が閾値温度Ｔ３よりも大きくなると、基板バイアスＶＢＢ４を出力する。
【００６４】
例えば、図１６に示されるように、バイアス被印加部１５は、電源電圧ＶＤＤ２を使用し、温度がＴ３以下の場合は、基板バイアスＶＢＢ３が印加された状態で、低温側の第３の動作領域で動作を行っている。しかし、基板バイアスＶＢＢ３が印加されたまま温度が高くなると、規定の動作周波数Ｆ２で動作できなくなる場合が出てくる。
【００６５】
そのため、温度がＴ３よりも高くなった場合には、上述のように、基板バイアス生成器１４は、バイアス被印加部１５に印加する基板バイアスを、基板バイアスＶＢＢ４に切り替える。ＶＢＢ４は、ＶＢＢ３よりも電流が増える方向に働く基板バイアスである。これにより、図１７に示されるように、バイアス被印加部１５の動作周波数の上限がＦ２よりも低い領域は、高温かつ高電源電圧側に縮小されるように変化する。そのため、バイアス被印加部１５は、高温側の第４の動作領域で動作を行っても、規定の動作周波数Ｆ４以上の動作を達成することができる。
【００６６】
バイアス被印加部１５が電源電圧ＶＤＤ１を使用している場合の動作は、実施の形態１で説明したように、図１０及び図１１と同様になるため、説明を省略する。
【００６７】
なお、電源電圧は、例えば、ＶＤＤ２＝１．１Ｖとする。また、基板バイアスは、例えば、ＶＢＢ３＝−０．３Ｖ、ＶＢＢ４＝０Ｖとする。また、温度は、例えば、Ｔ３＝４５℃、Ｔ４＝４０℃とする。また、規定の動作周波数は、例えば、Ｆ２＝１２０ＭＨｚとする。その他の条件は実施の形態１と同様とする。
【００６８】
＜実施の形態２の効果＞
上述のように本実施の形態２においては、基板バイアス生成器１４は、温度センサ１１により検出された温度でかつバイアス被印加部１５が使用している電源電圧において、バイアス被印加部１５の動作周波数の上限が規定値よりも低くならないように設定された基板バイアスを、バイアス被印加部１５に印加する。そのため、低い電源電圧で低消費電力の動作をする実施の形態１の構成に、高い電源電圧で動作周波数を高める機能を追加することができる。電源電圧が高い場合、動作周波数の上限が高くなるが、この場合も、バイアス被印加部１５は、基板バイアスが印加された状態で動作状態と停止状態とを遷移するため、温度が変化した場合であっても、動作周波数の上限を確保することができ、規定の動作周波数での動作を保証することができる。
その他の効果は実施の形態１と同様である。
【００６９】
＜実施の形態３＞
上述の実施の形態１，２では、半導体装置が実装される同一基板上に、基板バイアスが印加される回路部（バイアス被印加部）が１つのみ存在していた。これに対して、本実施の形態３では、半導体装置が実装される同一基板上に、基板バイアスが印加される回路部（バイアス被印加部）が複数存在する。ここでは、３つのバイアス被印加部１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃが存在するものとする。
【００７０】
＜実施の形態３の構成＞
まず、図１８を参照して、本実施の形態３に係る半導体装置３０の構成例について説明する。図１８に示されるように、本実施の形態３に係る半導体装置３０は、上述の実施の形態１に係る半導体装置１０と比較して、基準電圧生成器１２、ヒステリシス・コンパレータ１３、基板バイアス生成器１４、及びバイアス被印加部１５からなる組を、３組設けた点が異なる。
【００７１】
すなわち、本実施の形態３においては、基板バイアスが印加される回路部（バイアス被印加部）として、３つのバイアス被印加部１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃが存在する。
【００７２】
基板バイアス制御が特に有効なデバイスとして、ＳＯＴＢ（Silicon on Thin Buried Oxide）構造のトランジスタがある。ＳＯＴＢは、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）の一種である。ここで、図１Ｃを参照すると、ＳＯＴＢは、シリコン基板（ｐＳＵＢ）とトランジスタのチャネルとなるシリコン層との間のＢＯＸ（Buried Oxide）と呼ばれる絶縁膜が薄いため（２０ｎｍ以下）、ＳＯＴＢ構造のトランジスタは、基板バイアス制御の効果が特に強い。
【００７３】
そのため、バイアス被印加部１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃのうち少なくとも１つは、ＳＯＩ構造のトランジスタを用いた回路を含むことが好適であり、ＳＯＴＢ構造のトランジスタを用いた回路を含むことがより好適である。ここでは、バイアス被印加部１５Ａは、ＳＯＴＢ構造のトランジスタを用いたＣＰＵ１５１Ａを含み、バイアス被印加部１５Ｂは、ＳＯＴＢ構造のトランジスタを用いたＳＲＡＭ１５１Ｂを含むとする。また、バイアス被印加部１５Ｃは、Ｂｕｌｋ構造のトランジスタを用いたＣＰＵ１５１Ｃを含むとする。
【００７４】
そして、バイアス被印加部１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ毎に、基準電圧生成器１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ、ヒステリシス・コンパレータ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ、基板バイアス生成器１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃをそれぞれ設け、バイアス被印加部１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃの各々について、互いに独立に、基板バイアスを印加する基板バイアス制御を行う。なお、温度センサ１１は、バイアス被印加部１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃで共通としている。
【００７５】
上述の実施の形態１，２で説明した通り、バイアス被印加部１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃは、低い電源電圧のときに、基板バイアスが印加された状態で温度が低下すると、動作周波数の上限が低下する。ただし、動作周波数の上限の変化の仕方はデバイスに応じて異なる。
【００７６】
例えば、ＣＰＵ１５１ＡよりもＳＲＡＭ１５１Ｂの方が、基板バイアスや温度に対する動作周波数の上限の低下が著しい場合、ＳＲＡＭ１５１Ｂを含むバイアス被印加部１５Ｂにおける高温から低温に向かう閾値温度（Ｔ１に相当）を、ＣＰＵ１５１Ａを含むバイアス被印加部１５Ａにおける高温から低温に向かう閾値温度（Ｔ１に相当）よりも高くする。そのために、基準電圧生成器１２Ａ，１２Ｂの出力する基準電圧を互いに異なるように設計する。又は、基板バイアス生成器１４Ａ，１４Ｂが印加する基板バイアスの大きさを互いに異なるように設計してもよく、その場合、レジスタ１４１Ａ，１４１Ｂの構成を互いに異なる設計にする。
【００７７】
また、Ｂｕｌｋ構造のトランジスタを用いたＣＰＵ１５１Ｃも、ＳＯＴＢ構造のトランジスタを用いたＣＰＵ１５１ＡやＳＲＡＭ１５１Ｂとは、基板バイアスや温度に対する特性が異なる。そのため、ＣＰＵ１５１Ｃを含むバイアス被印加部１５Ｃについても、上述の設計を行う。
【００７８】
＜実施の形態３の動作＞
本実施の形態３においては、基準電圧生成器１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ、ヒステリシス・コンパレータ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ、基板バイアス生成器１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ、及びバイアス被印加部１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃの動作については、実施の形態１の基準電圧生成器１２、ヒステリシス・コンパレータ１３、基板バイアス生成器１４、及びバイアス被印加部１５の動作とそれぞれ同様であるため、説明を省略する。
【００７９】
＜実施の形態３の効果＞
上述のように本実施の形態３においては、基板バイアスが印加される複数のバイアス被印加部１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ毎に、基準電圧生成器１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ、ヒステリシス・コンパレータ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ、基板バイアス生成器１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃをそれぞれ設けている。そのため、複数のバイアス被印加部１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ毎に、互いに独立に基板バイアス制御を行うことができる。
その他の効果は実施の形態１と同様である。
【００８０】
＜実施の形態の適用例＞
続いて、図１９を参照して、上述の実施の形態に係る半導体装置を適用したセンサ端末４０の構成例について説明する。図１９に示されるように、本例に係るセンサ端末４０は、上述の実施の形態に係る半導体装置に対応する半導体装置４１と、太陽電池４３と、二次電池４４と、センサ群４５と、を備えている。
【００８１】
半導体装置４１は、太陽電池４３及び二次電池４４を電源とし、センサ群４５からセンサデータを取得する。センサ群４５には、加速度センサ、光センサ、気圧センサ等の各種センサが含まれる。
【００８２】
半導体装置４１は、上述の実施の形態に係る温度センサ１１、基準電圧生成器１２、ヒステリシス・コンパレータ１３、基板バイアス生成器１４、及びバイアス被印加部１５にそれぞれ対応する、温度センサ４１１、参照部４１７、比較器４１２、基板バイアス生成器４１３、及びバイアス被印加部４１４を備えている。これに加えて、半導体装置４１は、太陽電池４３及び二次電池４４との電力のやりとりを管理する電源管理部４１５と、センサ群４５からのセンサデータを保存する記憶部４１６と、を備えている。参照部４１７は、基板バイアス制御で閾値温度とする温度に関する信号を比較器４１２に出力するもので、基板バイアス制御の閾値温度は、システム構築者が書き換え可能に参照部４１７に保持されている。
【００８３】
センサ端末４０の使用例としては、腕、メガネ、衣類等に装着されるウェアラブル機器が考えられる。特に温度変化のある環境において機器が装着される場面で有効である。例えば、センサ端末４０は、登山を行うユーザにウェアラブル機器として装着され、登山中に、半導体装置４１は、センサ群４５からセンサデータとして生体情報及び環境情報等を取得し、記憶部４１６に保存する。生体情報は、例えば、活動量、血中酸素濃度、血圧等であり、環境情報は、例えば、気温、気圧等であり、それら生体情報及び環境情報は、センサ群４５で直接的に又は間接的に測定可能である。
【００８４】
本例によれば、半導体装置４１は、登山中、徐々に標高が上がっていき環境温度が低下したときでも、規定の動作周波数を下回ることなく、バイアス被印加部４１４に含まれるＣＰＵ等の動作を保証することができる。この場合、バイアス被印加部４１４に含まれるＣＰＵは、登山中に、センサ群４５からセンサデータを取得し、取得したセンサデータを基に所定の演算を行うので、ＣＰＵが動作することは重要である。また、半導体装置４１は、低い電源電圧で動作する低消費電力の半導体装置であるため、登山中の電力を、十分に充電された二次電池４４から供給することが可能である。また、太陽光が十分あり、太陽電池４３から半導体装置４１に供給される電力がある場合には、この電力を電源管理部４１５が制御し、この電力を用いて二次電池４４への充電を行ってもよい。
【００８５】
この他にも、センサ端末４０の使用例としては、輸送コンテナに取り付けられ、異常な振動や破損を検出するセンサ端末が考えられる。輸送コンテナは、屋外や低温の保管庫などで保管されることがあるため、環境温度の変化が大きい。そのため、輸送コンテナに取り付けられるセンサ端末は、上述のウェアラブル機器と同様に、センサ群４５からの定期的なセンサデータの取得や、太陽電池４３及び二次電池４４の長寿命化が必要である。
【００８６】
＜基準電圧の設定例＞
上述の実施の形態１に係る半導体装置１０においては、基準電圧生成器１２が生成する基準電圧に応じて基板バイアス制御の閾値温度が決定される。
以下、図２０を参照して、基準電圧生成器１２が生成する基準電圧の設定例について説明する。ここでは、バイアス被印加部１５の動作状態での動作周波数の上限及び停止状態でのリーク電流について、それぞれ目標値があり、この目標値が使用温度範囲内で満たされることを目標とする。
【００８７】
図２０に示されるように、バイアス被印加部１５に、ある基板バイアスを印加した状態で、温度を変化させ、温度を変化させる度に、動作状態での動作周波数の上限と停止状態でのリーク電流とをプロットする。以降、基板バイアスを変化させ、基板バイアスを変化させる度に、同様のプロット動作を行う。そして、上述の２つの目標値を満たす条件下において、ある温度（閾値温度）で高温側から低温側（及び低温側から高温側）に遷移できる基板バイアスの組み合わせを選択する。
【００８８】
図２０の例では、バイアス被印加部１５の動作状態での動作周波数は１６ＭＨｚ以上、停止状態でのリーク電流は１μＡ以下という条件で、基板バイアスＶＢＢ１＝−１Ｖ、ＶＢＢ２＝−０．８Ｖの２状態が、閾値温度Ｔ１＝−５℃で高温側から低温側に遷移するようにしている。そのため、この閾値温度Ｔ１を基に基準電圧生成器１２が生成する基準電圧を設定すればよい。
【００８９】
＜各実施の形態の変形例＞
上述のいずれの実施の形態においても、ヒステリシス・コンパレータ１３により２状態（現在の温度が高温側か又は低温側か）を判定しているため、バイアス被印加部１５に印加する基板バイアスも、２状態のどちらであるかに応じて変化するよう２種類となっているが、これには限定されない。つまり、バイアス被印加部１５に印加する基板バイアスは、３種類以上であってもよい。
【００９０】
また、温度センサ１１が現在の温度に応じて変化する電圧（または電流）を出力し、基板バイアス生成器１４が温度センサ１１の出力値に応じて変化する基板バイアスをバイアス被印加部１５に印加してもよい。また、この構成の場合、温度に対してバイアス被印加部１５の動作周波数の上限が一定となる制御にしてもよい。
【００９１】
以下、図２１を参照して、上述の実施の形態１，２に係る基板バイアス制御の変形例として、温度に対してバイアス被印加部１５の動作周波数の上限が一定となる制御を行う例について説明する。図２１に示されるように、ここでは、バイアス被印加部１５に印加する基板バイアスとして、以下のように設定された３種類の基板バイアスを想定している。
（Ａ）基板バイアスＶＢＢ０：温度によらずに一定になるように設定
（Ｂ）基板バイアスＶＢＢ１：温度が高くなるに従って低く変化するように設定
（Ｃ）基板バイアスＶＢＢ２：温度が高くなるに従って高く変化するように設定
【００９２】
例えば、実施の形態１のように、バイアス被印加部１５が低い電源電圧ＶＤＤ１を使用して動作する場合、基板バイアスＶＢＢ０を印加すると、バイアス被印加部１５における動作周波数の上限の温度依存性が、正の傾きとなってしまう。しかし、基板バイアスＶＢＢ１を印加すると、バイアス被印加部１５の動作周波数の上限は、温度によらずほぼ一定となる。
【００９３】
また、実施の形態２のように、バイアス被印加部１５が高い電源電圧ＶＤＤ２を使用して動作する場合、基板バイアスＶＢＢ０を印加すると、バイアス被印加部１５における動作周波数の上限の温度依存性が、負の傾きとなってしまう。しかし、基板バイアスＶＢＢ２を印加すると、バイアス被印加部１５の動作周波数の上限は、温度によらずほぼ一定となる。
【００９４】
従って、上述の制御方法でも、バイアス被印加部１５は、動作状態のときに温度が変化した場合に、動作周波数の上限が規定の動作周波数よりも低くならないようにすることができる。つまり、温度が変化した場合であっても、バイアス被印加部１５の規定の動作周波数での動作を保証することができる。
また、上述の制御方法は、バイアス被印加部１５の電源電圧が変化する実施の形態２のような構成にも適用可能である。
【００９５】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。
【００９６】
例えば、上述の実施の形態では、半導体装置の内部の構成要素をハードウェア的に実現していたが、半導体装置の内部の構成要素の全部又は一部を、メモリから読み出されたプログラム等によってソフトウェア的に実現しても良い。その場合、半導体装置は、演算処理や制御処理等を行うＣＰＵ等のプロセッサ、プロセッサにより読み出されて実行されるプログラムや各種のデータを記憶するメモリ等を含むコンピュータで構成することができる。したがって、これらの構成要素がハードウェアのみ、ソフトウェアのみ、またはそれらの組合せによって色々な形で実現できることは当業者には理解されるところであり、いずれかに限定されるものではない。
【００９７】
また、上述のプログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えば、フレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば、光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ（compact disc read only memory）、ＣＤ−Ｒ（compact disc recordable）、ＣＤ−Ｒ／Ｗ（compact disc rewritable）、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（erasable PROM）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（random access memory））を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。
【符号の説明】
【００９８】
１０，４１，９０  半導体装置
１１，９１，４１１  温度センサ
１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ  基準電圧生成器
１３，１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ  ヒステリシス・コンパレータ
１４，１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，９２，４１３  基板バイアス生成器
１５，１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，９３，４１４  バイアス被印加部
１５１，１５１Ａ  ＣＰＵ
１５１Ｂ  ＳＲＡＭ
１５１Ｃ  ＣＰＵ
１６  スイッチ
４０  センサ端末
４１２  比較器
４１５  電源管理部
４１６  記憶部
４１７  参照部
４３  太陽電池
４４  二次電池
４５  センサ群
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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