(57)【要約】【課題】出力電圧ばらつきの低減された高精度電圧源回路を提供する。【解決手段】本発明に係る電圧源回路では、高濃度ｎ型ゲートを有する第１の電界効果トランジスタと、高濃度ｐ型ゲートを有する第２の電界効果トランジスタとが直列に接続され、前記２つの電界効果トランジスタのゲート電極の仕事関数の差に依存する電圧を出力する。第１の電界効果トランジスタが定電流源として動作し、かつ、第１の電界効果トランジスタは、電流値が温度変化しないゼロ温度係数点に設定される。２つの電界効果トランジスタに同じ電流が流れる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高濃度ｎ型ゲートを有する第１の電界効果トランジスタと、高濃度ｐ型ゲートを有する第２の電界効果トランジスタとが直列に接続され、前記２つの電界効果トランジスタのゲート電極の仕事関数の差に依存する電圧を出力する電圧源回路であって、
前記第１の電界効果トランジスタが定電流源として動作し、前記第１の電界効果トランジスタは、電流値が温度変化しないゼロ温度係数点に設定され、前記２つの電界効果トランジスタに同じ電流が流れる電圧源回路。
【請求項２】
請求項１記載の電圧源回路において、前記２つの電界効果トランジスタのチャネル長Ｌが等しいことを特徴とする電圧源回路。
【請求項３】
請求項１記載の電圧源回路において、前記２つの電界効果トランジスタのチャネル長Ｌが異なることを特徴とする電圧源回路。
【請求項４】
請求項３記載の電圧源回路において、前記２つの電界効果トランジスタのいずれもゼロ温度係数点に設定されることを特徴とする電圧源回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧源回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電界効果トランジスタを用いた電圧発生回路や基準電圧源回路が用いられている。たとえば、たとえば特開２００１−２８４４６４号公報の図２２に記載された基準電圧回路では、導電型の極性が異なるゲートを有する第１のペア電界効果トランジスタと、同じ極性の導電型で高濃度と低濃度のゲートを持つ第２のペア電界効果トランジスタが直列に接続され、それぞれのゲート材の仕事関数差を利用して基準電圧を得る。ここで、第１の電界効果トランジスタはゲートとソースを結線して定電流源として動作し、電流値は、定電流源である電界効果トランジスタにより決まる。定電流源の電界効果トランジスタは、ゲートとソースを結線しているため、各温度に対応した電流が流れ、それが他方の電界効果トランジスタにも流れる。なお、ペア電界効果トランジスタとして機能させるため、基板効果が出ないように基板のウェルを独立させ、かつ基板の電位はソース電位と等しくしてある。２つの電界効果トランジスタのチャネル長Ｌが等しい場合、出力電圧は負の温度係数を有する。なお、この回路はさらに別のペア電界効果トランジスタとソースフォロワ回路を用いることにより、所望の温度特性が、ゲートの不純物濃度や抵抗比を変えることにより任意に設定可能である。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２８４４６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来例でのペア電界効果トランジスタからの出力信号ＶPNは、ある出力電圧ばらつきを持っている。各温度で出力電圧のばらつきが発生すると、それぞれの温度での絶対値のばらつきが生じるだけでなく、出力信号ＶPNの温度係数にもばらつきをもたらす。従って、高精度電圧源回路を実現するためには、この出力電圧のばらつきをできるだけ低く押えるのが重要な課題である。
【０００５】
本発明の目的は、出力電圧ばらつきの低減された高精度電圧源回路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る電圧源回路では、高濃度ｎ型ゲートを有する第１の電界効果トランジスタと、高濃度ｐ型ゲートを有する第２の電界効果トランジスタとが直列に接続され、前記２つの電界効果トランジスタのゲート電極の仕事関数の差に依存する電圧を出力する。第１の電界効果トランジスタが定電流源として動作し、かつ、第１の電界効果トランジスタは、電流値が温度変化しないゼロ温度係数点に設定される。２つの電界効果トランジスタに同じ電流が流れる。これにより出力電圧ばらつきが低減される。この電圧源回路において、たとえば、前記２つの電界効果トランジスタのチャネル長Ｌが等しい。
【０００７】
また、前記電圧源回路において、たとえば、前記２つの電界効果トランジスタのチャネル長Ｌが異なる。これにより、所望の温度係数を有する電圧源回路を形成できる。さらに、好ましくは、前記２つの電界効果トランジスタのいずれもゼロ温度係数点に設定される。これにより、周囲の温度変化に依存しない基準電圧を出力する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、定電流源として動作する電界効果トランジスタを、ペア電界効果トランジスタに流れる電流をゼロ温度係数点に設定することにより、出力電圧ばらつきの低減された高精度電圧源回路を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、添付の図面を参照した発明の実施の形態を説明する。
まず、本発明で、出力電圧ばらつきの低減された高精度電圧源を実現するために用いた、ゼロ温度係数（ZTC、Zero Temperature Coefficient）点が設定できる理由について説明する。一般に、飽和領域（Ｖds＞Ｖgs−Ｖth）で動作するMOSFETにおいて、ドレイン・ソース電流Ｉdsは次の式（１）のように表される。
【数１】
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ここで、μはキャリアの移動度であり、Ｃoxは酸化膜中の単位面積当たりの静電容量であり、Ｗはチャネル幅であり、Ｌはチャネル長である。式(１)で、温度依存性を持っているパラメータはキャリアの移動度（μ）としきい値（Ｖth）の二つであり、以下にそれぞれの温度依存性について考えてみる。
【００１０】
まず、しきい値は次式（２）のように表される。
【数２】
2008066649.tif 000004
ここで、φmsはゲートの仕事関数と基板の仕事関数の差であり、Ｑfは酸化膜中の固定電荷であり、φfは基板のフェルミレベルであり、ＱDは反転層と基板間の空乏層内の単位面積当たりの電荷であり、Ｃoxは単位面積当たりの酸化膜の静電容量である。従って、しきい値の温度依存性を知るためには、式（２）を構成するそれぞれのパラメータの温度特性を調べればいいが、一般に周囲温度変化によるしきい値の変動は次式（３）のように表すことが出来る。
【数３】
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ここで、αは基板のドーピングレベルや注入量などプロセスに依存するパラメータであり、通常のＣＭＯＳプロセスの場合約１〜２mV／℃である。式(３）は、200〜400Kの温度範囲で有効である。上式から、しきい値は温度に対して反比例の関係にあることが分かる。このことは、温度が上昇するとしきい値が下がり、同じＶgsの条件では式（１）のドレイン・ソース電流（Ids）が上昇することを意味する。
【００１１】
次に、キャリアの移動度μについて述べる。キャリアの移動度μは温度に対して強い依存性を持っており、次のように表される。
【数４】
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ここでｎの値は1〜2.5程度であり、酸化膜の成長条件や温度範囲に依存する。上式から分かるように、移動度の温度依存性μ(T)はＴ-nに比例関係にあるため、温度上昇に伴って移動度μが下がり、その結果同じＶgsの条件では式（1）のドレイン・ソース電流（Ids）は低下する。
【００１２】
従って、ドレイン・ソース電流の温度特性は、与えられたバイアス条件で、どちらが支配的になるかにより決まる。上で述べたように、しきい値Ｖth（式(３)）と移動度μ（式(４)）の温度係数は、ドレイン・ソース電流Ｉds（式(１)）に対してそれぞれ反対の働きをするため、あるバイアス点でキャンセルされる傾向があり、これら二つの効果が相殺されるバイアス点が、ゼロ温度係数(ZTC)点になる。このゼロ温度係数点は、トランジスタのサイズ、酸化膜厚およびしきい値Ｖthや移動度μの温度係数に依存する。したがって、ゼロ温度係数点に設定すると、電界効果トランジスタに流れる電流値が温度により変動を受けなくなる。
【００１３】
次に、ゼロ温度係数(ZTC)と電流ばらつきとの関係について述べる。図１に、電界効果トランジスタＭ１のサイズと電流ばらつきとの関係を示す。横軸はトランジスタサイズであり、チャネル幅Ｗは５０μｍで固定し、チャネル長Ｌは４μｍから５０μｍである。縦軸の左側は８５℃と３５℃での電流差を示しており、この差が零の時がゼロ温度係数(ZTC)点になるトランジスタサイズである。一方、縦軸の右側は各温度での電流ばらつきを示し、白丸と黒丸は、それぞれ、８５℃と３５℃での電流ばらつきのデータを示す。
【００１４】
図１をゼロ温度係数(ZTC)の観点から見ると、Ｌサイズが大きくなるにつれて温度間の電流差（図中の三角）が小さくなり、ゼロ温度係数(ZTC)に近付くことが分かる。一方、電流ばらつきの観点から見ると、ゼロ温度係数(ZTC)の場合と同様、８５℃と３５℃ともにＬサイズが大きくなるにつれて電流ばらつき（図中の丸）が減少する傾向を示し、Ｌサイズが４μｍから５０μｍになると、電流ばらつきは約２５％低減される。
【００１５】
また、図２に、電界効果トランジスタＭ１のサイズＬとＶthばらつきとの関係を示す。サイズ変化によるＶthばらつきの挙動は、図１の電流ばらつき結果と非常に類似しており、Ｌサイズが４μｍから５０μｍになると、Ｖthばらつきは約３０％まで低減される。
【００１６】
上述のゼロ温度係数(ZTC)による電界効果トランジスタＭ１の電流ばらつき及びＶthばらつき低減効果は、ＶPN信号は２つの電界効果トランジスタのＶth差として出力されるため、結果的にＶPN信号の出力精度向上及び温度係数ばらつき低減に有効な手段であることを示唆している。
【００１７】
そこで、定電圧源回路において、定電流源電界効果トランジスタを、温度上昇に伴いしきい値（Ｖth）が低下しドレイン・ソース電流が上昇する効果と移動度が低下しドレイン・ソース電流が低下する効果とが相殺され、定電流源及びペア電界効果トランジスタに流れる電流の温度による変動のないゼロ温度係数(ZTC)点に設定する。この「ゼロ温度係数点に設定」とは、上述したように、電界効果トランジスタにおいて、不純物濃度、チャネルサイズなどがキャリアの移動度（μ）の温度係数としきい値（Ｖth）の温度係数が互いに相殺するように設定されることを意味する。
【００１８】
図３に、本発明の第１実施形態の電圧源回路を示す。この基本回路は、直列に接続された２つのｎ型チャネルのデプレッション型電界効果トランジスタＭ１、Ｍ２で構成され、基板やチャネルドープの不純物濃度は等しくしてある。第１の電界効果トランジスタＭ１は高濃度ｎ型ゲートを有し、第２の電界効果トランジスタＭ２は高濃度ｐ型ゲートを有する。２つのペア電界効果トランジスタは、電源（ＶＣＣ）とグランド（ＧＮＤ）の間に接続される。高濃度ｎ型ゲートを有する電界効果トランジスタＭ１は、デプレッション動作をするようにチャネルドープの不純物濃度が調整されているため、ゲートとソースを結線することにより定電流源となる。電界効果トランジスタＭ２は、高濃度ｐ型ゲートを有し、ゲートとドレインを結線してあり、Ｍ２のゲート・ソース電圧がＶPNとして出力される。なお、第１の電界効果トランジスタＭ１のゲートが接地されるか、ソース側に接続されるかは、基板がＰチャネルかＮチャネルかによる。この回路において、ペア電界効果トランジスタＭ１，Ｍ２には同一の電流が流れるため、電界効果トランジスタＭ２のゲート・ソース間電圧は電界効果トランジスタＭ１とＭ２のＶthの差ＶPN信号になる。第１の電界効果トランジスタに流れる電流はゼロ温度係数(ZTC)点に設定する。第１実施形態の構成では、ペア電界効果トランジスタＭ１とＭ２のチャネル長Ｌが等しいものを用いている。
【００１９】
第１実施形態の回路動作について説明する。図４に第１実施形態におけるＶPN信号のＶgs−Ｉds特性の模式図を示す。第１のペア電界効果トランジスタＭ１に流れる電流は、定電流源である電界効果トランジスタＭ１により決まる。この電界効果トランジスタＭ１は、ゲートとソースを結線され（Ｖgs＝０V）、さらにゼロ温度係数点に設定されているため、温度変化に関係なく一定の電流を電界効果トランジスタＭ２に流す。ペア電界効果トランジスタＭ１、Ｍ２には同一の電流が流れるため、電界効果トランジスタＭ２のゲート・ソース間電圧は２つの電界効果トランジスタＭ１とＭ２のＶth差になる。このＶth差は温度上昇と共に小さくなるため、図示されるように、ＶPN信号（＝Ｖgs信号）は温度が高くなるにつれ小さくなる。
【００２０】
比較のために、図５に、ゼロ温度係数(ZTC)点に設定されていない従来の電圧源回路のＶgs−Ｉds特性の模式図を示す。各温度に対応した異なる電流値の電流が電界効果トランジスタを流れる。この場合、定電流源の電界効果トランジスタはゼロ温度係数点に設定されていないため、出力電圧のばらつきが本実施形態より大きい。各温度で出力電圧ばらつきが発生すると、それぞれの温度での絶対値のばらつきだけでなく、ＶPN信号の温度係数にもばらつきをもたらしている。
【００２１】
第２実施形態は、上記の第１実施形態の変形であり、基本回路構成は図３と同じであり、第１の電界効果トランジスタに流れる電流はゼロ温度係数(ZTC)点に設定する。しかし、２つのペア電界効果トランジスタＭ１とＭ２のチャネル長Lが異なるものを用いている点が異なる。この場合、２つの電界効果トランジスタのチャネル長Ｌを変えることにより、所望の温度係数を有する電圧源回路を形成できる。
【００２２】
第３実施形態は、上記の第２実施形態の変形であり、基本回路構成は図３と同じである。この場合、２つのペア電界効果トランジスタＭ１とＭ２のチャネル長Lが異なり、かつ、第１の電界効果トランジスタに流れる電流と第２の電界効果トランジスタに流れる電流を等しいゼロ温度係数(ZTC)点に設定することにより、２つの電界効果トランジスタＭ１、Ｍ２のＶthの差が温度変化に依存しない基準電圧源を形成できる。
【００２３】
図５に第３実施形態における、ＶPN信号のＶgs−Ｉds特性の模式図を示す。第１のペア電界効果トランジスタに流れる電流は、定電流源である電界効果トランジスタＭ１により決まる。この電界効果トランジスタＭ１は、ゲートとソースを結線され（Ｖgs＝０Ｖ）、さらにゼロ温度係数（ZTC)点に設定されているため、温度変化に関係なく一定の電流を電界効果トランジスタＭ２に流す。また、電界効果トランジスタＭ２もゼロ温度係数（ZTC)点に設定されているため、温度変化に依存しない基準電圧を出力する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】電界効果トランジスタにおけるサイズＬと電流ばらつきとの関係を示すグラフ
【図２】電界効果トランジスタＭ１のサイズＬとＶthばらつきとの関係を示すグラフ
【図３】第１実施形態の回路図
【図４】第１実施形態におけるＶPN信号のＶgs−Ｉds特性の模式図
【図５】従来のＶPN信号のＶgs−Ｉds特性の模式図
【図６】第３実施形態におけるＶPN信号のＶgs−Ｉds特性の模式図
【符号の説明】
【００２５】
Ｍ１  第１の電界効果トランジスタ、    Ｍ２  第２の電界効果トランジスタ。
【図１】
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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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