JPH10201093A - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JPH10201093A
JPH10201093A JP9004402A JP440297A JPH10201093A JP H10201093 A JPH10201093 A JP H10201093A JP 9004402 A JP9004402 A JP 9004402A JP 440297 A JP440297 A JP 440297A JP H10201093 A JPH10201093 A JP H10201093A
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JP
Japan
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power supply
semiconductor device
internal circuit
type mos
voltage
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Application number
JP9004402A
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Japanese (ja)
Inventor
Hisaya Keida
田 久 彌 慶
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JFE Steel Corp
Original Assignee
Kawasaki Steel Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】電源電圧を変更しなくても、低消費電力化およ
び高速化を同時に実現することができ、かつ、非動作時
のリーク電流も抑制することができる半導体装置を提供
すること。 【解決手段】外部から供給された電源およびグランドと
内部回路との間にそれぞれ接続された、しきい値電圧の
絶対値が、内部回路を構成するN型MOSトランジスタ
およびP型MOSトランジスタのしきい値電圧よりも大
きいN型MOSトランジスタおよびP型MOSトランジ
スタにより、通常動作時に、外部から供給された電源お
よびグランドと内部回路とを電気的に接続し、スタンバ
イ時に、外部から供給された電源およびグランドと内部
回路とを電気的に遮断することにより、上記課題を解決
する。
(57) [Problem] To provide a semiconductor device capable of simultaneously realizing low power consumption and high speed without changing a power supply voltage, and also suppressing a leakage current during non-operation. To provide. An absolute value of a threshold voltage, which is connected between an externally supplied power supply and a ground and an internal circuit, is a threshold of an N-type MOS transistor and a P-type MOS transistor constituting an internal circuit. An N-type MOS transistor and a P-type MOS transistor larger than the value voltage electrically connect an externally supplied power supply and ground to an internal circuit during normal operation, and provide an externally supplied power supply and ground during standby. The above problem is solved by electrically disconnecting the internal circuit from the internal circuit.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の低消
費電力化および高速化に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to low power consumption and high speed operation of a semiconductor device.

【0002】[0002]

【従来の技術】例えば、携帯電話等のような電池駆動の
製品においては、駆動時間を延長するために低消費電力
化したいという要求がある。また、電池駆動の製品に係
わらず、近年の半導体製造技術の進歩により、高集積化
された大規模半導体装置においては、回路規模に応じて
発熱量が増大し、放熱性のよい高価なパッケージを使用
したり、放熱フィンを設けて冷却する必要がある等、コ
ストの発生要因になるため、低消費電力化したいという
普遍的な要求がある。
2. Description of the Related Art For example, in a battery-powered product such as a mobile phone, there is a demand to reduce power consumption in order to extend a driving time. Regardless of battery-driven products, recent advances in semiconductor manufacturing technology have led to the development of highly integrated large-scale semiconductor devices, in which the amount of heat generated increases in accordance with the circuit scale, and expensive packages with good heat dissipation are used. There is a universal demand to reduce power consumption because it is a factor of cost generation, such as the need to use and cool by providing heat radiation fins.

【0003】これに対し、電源電圧を低下させることに
より、低消費電力を達成することが可能である。しかし
ながら、電源電圧を低下させると、これに応じて動作速
度が低下するため、さらに、トランジスタのしきい値電
圧を低下させることにより、例えば現在の5Vや3.3
Vの電源電圧を1.5Vや1Vに低下させ、例えば3.
3Vの電源電圧の場合に0.7V前後のN型MOSトラ
ンジスタのしきい値電圧を0.1V前後に下げることに
より、低消費電力化および高速化が可能な半導体装置が
提案されている。
On the other hand, lowering the power supply voltage makes it possible to achieve low power consumption. However, when the power supply voltage is reduced, the operation speed is reduced accordingly. By further reducing the threshold voltage of the transistor, for example, the current 5 V or 3.3 V
V power supply voltage to 1.5V or 1V, for example, 3.
A semiconductor device capable of reducing power consumption and increasing speed by reducing the threshold voltage of an N-type MOS transistor of about 0.7 V to about 0.1 V in the case of a power supply voltage of 3 V has been proposed.

【0004】上述する低消費電力化の技術において、消
費電力Pは、例えばCMOS半導体装置の場合、下記算
出式により算出される。 消費電力P=fcV2 ここで、fは動作周波数、cは負荷容量、Vは電源電圧
であり、電源電圧を低下させることにより、消費電力の
低減に2乗で効果があるため、最も効果的に半導体装置
の低消費電力化を図ることができる。
In the above-described technology for reducing power consumption, the power consumption P is calculated by the following formula in the case of a CMOS semiconductor device, for example. Power consumption P = fcV 2 Here, f is the operating frequency, c is the load capacity, and V is the power supply voltage. By reducing the power supply voltage, the power consumption can be reduced by the square, which is the most effective. In addition, power consumption of the semiconductor device can be reduced.

【0005】また、トランジスタのしきい値電圧を低下
させることにより、非常に高速で動作させることができ
るという利点がある。しかし、トランジスタのしきい値
電圧が低下された半導体装置においては、スタンバイ時
にトランジスタを完全にオフ状態とすることができず、
オフ状態のトランジスタによるリーク電流が非常に大き
くなるため、通常のCMOS半導体装置と比べて、スタ
ンバイ時のリーク電流が増大するという問題点がある。
Further, there is an advantage that the operation can be performed at a very high speed by reducing the threshold voltage of the transistor. However, in a semiconductor device in which the threshold voltage of a transistor is lowered, the transistor cannot be completely turned off during standby,
Since the leakage current due to the transistor in the off state becomes extremely large, there is a problem that the leakage current at the time of standby increases as compared with a normal CMOS semiconductor device.

【0006】これに対し、例えば1996年8月号の
「日経マイクロデバイス」には、基板電圧を制御するこ
とにより、トランジスタのしきい値電圧を可変にするV
T−CMOS半導体装置、および、プロセスにより、異
なるしきい値電圧のトランジスタを同一チップ上に搭載
するMT−CMOS半導体装置が提案されている。以
下、「日経マイクロデバイス」に開示された、上述する
2つの半導体装置について説明する。
[0006] On the other hand, for example, in "Nikkei Micro Device" of August 1996, Vth which makes a threshold voltage of a transistor variable by controlling a substrate voltage is disclosed.
There have been proposed T-CMOS semiconductor devices and MT-CMOS semiconductor devices in which transistors having different threshold voltages are mounted on the same chip depending on the process. Hereinafter, the above-described two semiconductor devices disclosed in “Nikkei Microdevice” will be described.

【0007】まず、図3に、VT−CMOS半導体装置
の一例の構成回路図を示す。この半導体装置20は、P
型MOSトランジスタ(以下、PMOSという)22お
よびN型MOSトランジスタ(以下、NMOSという)
24と、VT回路26とを有する。
First, FIG. 3 shows a configuration circuit diagram of an example of a VT-CMOS semiconductor device. This semiconductor device 20 has P
MOS transistor (hereinafter referred to as PMOS) 22 and N-type MOS transistor (hereinafter referred to as NMOS)
24 and a VT circuit 26.

【0008】ここで、PMOS22およびNMOS24
は、内部回路の一例としてインバータを示したもので、
そのソースは、それぞれ電源(VDD)およびグランド
(GND)に接続され、そのゲート同士およびドレイン
同士はそれぞれ短絡され、その基板(またはウェル)は
VT回路26に接続されている。また、VT回路26
は、内部回路のPMOS22およびNMOS24の基板
電圧(またはウェル電圧)を制御するものである。
Here, a PMOS 22 and an NMOS 24
Shows an inverter as an example of an internal circuit.
The sources are connected to a power supply (V DD ) and the ground (GND), respectively. The gates and the drains are short-circuited, respectively, and the substrate (or well) is connected to the VT circuit 26. Also, the VT circuit 26
Controls the substrate voltage (or well voltage) of the PMOS 22 and NMOS 24 of the internal circuit.

【0009】この半導体装置20において、まず、通常
動作時は、PMOS22およびNMOS24の基板電圧
が、VT回路26により、それぞれ電源電圧およびグラ
ンド電圧、例えばそれぞれ電源電圧の1Vおよびグラン
ド電圧の0Vとされる。このとき、PMOS22および
NMOS24のしきい値電圧(可変Vth)は、それぞれ
例えば−0.1Vおよび0.1Vとなり、電源電圧が1
Vに低下されたにも係わらず、高速動作が可能である。
In the semiconductor device 20, during normal operation, the substrate voltages of the PMOS 22 and the NMOS 24 are respectively set to the power supply voltage and the ground voltage by the VT circuit 26, for example, 1V of the power supply voltage and 0V of the ground voltage, respectively. . At this time, the threshold voltages (variable V th ) of the PMOS 22 and the NMOS 24 are, for example, −0.1 V and 0.1 V, respectively, and the power supply voltage is 1 V.
Despite being reduced to V, high-speed operation is possible.

【0010】これに対し、スタンバイ時は、VT回路2
6により、PMOS22の基板電圧が電源電圧よりも上
昇され、かつ、NMOS24の基板電圧がグランド電圧
よりも低下される。このとき、基板バイアス効果によ
り、PMOS22およびNMOS24のしきい値電圧の
絶対値が上昇し、オフ状態のPMOS22またはNMO
S24を完全にオフ状態とすることができるため、スタ
ンバイ時のPMOS22またはNMOS24によるリー
ク電流を削減することができる。
On the other hand, during standby, the VT circuit 2
6, the substrate voltage of the PMOS 22 becomes higher than the power supply voltage, and the substrate voltage of the NMOS 24 becomes lower than the ground voltage. At this time, the absolute values of the threshold voltages of the PMOS 22 and the NMOS 24 increase due to the substrate bias effect, and the PMOS 22 or the NMOS
Since S24 can be completely turned off, leakage current due to the PMOS 22 or NMOS 24 during standby can be reduced.

【0011】続いて、図4に、MT−CMOS半導体装
置の一例の構成回路図を示す。この半導体装置28は、
半導体装置20の場合と同様に、内部回路の一例として
のインバータを構成するPMOS30およびNMOS3
2と、スイッチトランジスタとなるNMOS34とを有
する。
FIG. 4 is a circuit diagram showing an example of an MT-CMOS semiconductor device. This semiconductor device 28
As in the case of the semiconductor device 20, the PMOS 30 and the NMOS 3 forming an inverter as an example of an internal circuit
2 and an NMOS 34 serving as a switch transistor.

【0012】PMOS30およびNMOS32は、比較
的低いしきい値電圧(低Vth)を有するもので、そのソ
ースは、それぞれ電源およびNMOS34のドレインに
接続され、そのゲート同士およびドレイン同士はそれぞ
れ短絡され、その基板(またはウェル)は、それぞれ電
源およびグランドに接続されている。また、NMOS3
4は、比較的高いしきい値電圧(高Vth)を有するもの
で、そのソースおよび基板はグランドに接続されてい
る。
The PMOS 30 and the NMOS 32 have relatively low threshold voltages (low V th ). The sources are connected to the power supply and the drain of the NMOS 34, respectively, and the gates and the drains are short-circuited. The substrate (or well) is connected to a power supply and a ground, respectively. In addition, NMOS3
Numeral 4 has a relatively high threshold voltage (high V th ), and its source and substrate are connected to ground.

【0013】この半導体装置28において、通常動作時
は、NMOS34がオン状態とされ、PMOS30およ
びNMOS32は、低電源電圧下でも、しきい値電圧が
低いため、NMOS34のドレインを仮想グランドとし
て高速に動作する。これに対し、スタンバイ時は、NM
OS34がオフ状態とされ、PMOS30およびNMO
S32を介して流れるリーク電流は、スイッチトランジ
スタのNMOS34により遮断され、スタンバイ時のリ
ーク電流が削減される。
In the semiconductor device 28, during normal operation, the NMOS 34 is turned on, and the PMOS 30 and the NMOS 32 operate at high speed with the drain of the NMOS 34 as a virtual ground because the threshold voltage is low even under a low power supply voltage. I do. On the other hand, during standby, NM
OS 34 is turned off, and PMOS 30 and NMO
The leakage current flowing through S32 is cut off by the NMOS 34 of the switch transistor, and the leakage current during standby is reduced.

【0014】上述する半導体装置20,28は、低消費
電力化および高速化を同時に実現することができる最新
技術を用いた半導体装置として注目されている。しかし
ながら、これらの半導体装置20,28には、従来の電
源電圧とは異なる低電源電圧を供給する必要があるた
め、1つのボード上に、複数種類の電源電圧を用意し、
電源電圧の異なる複数種類の半導体装置を混在させて実
装しなければならないという問題点がある。
The above-described semiconductor devices 20 and 28 have attracted attention as semiconductor devices using the latest technology capable of simultaneously realizing low power consumption and high speed. However, since it is necessary to supply a low power supply voltage different from the conventional power supply voltage to these semiconductor devices 20 and 28, a plurality of types of power supply voltages are prepared on one board.
There is a problem that a plurality of types of semiconductor devices having different power supply voltages must be mixed and mounted.

【0015】例えば、0.6μm以上のプロセスで製造
された半導体装置は、5Vの電源電圧を使用していた
し、0.5μm以下のプロセスで製造される半導体装置
は、3.3Vの電源電圧を使用している。現在でも、1
つのボード上に、これらの5Vおよび3.3Vの電源電
圧を使用する半導体装置を混在させて実装しているが、
これ以外に、例えば2.5Vや1.5V、1V等の様々
な種類の電源電圧を使用するとなると、非常に使いづら
いという問題点がある。
For example, a semiconductor device manufactured by a process of 0.6 μm or more uses a power supply voltage of 5 V, and a semiconductor device manufactured by a process of 0.5 μm or less requires a power supply voltage of 3.3 V. I'm using Even now, 1
On a single board, semiconductor devices using these 5 V and 3.3 V power supply voltages are mixed and mounted.
In addition to this, when various types of power supply voltages such as 2.5 V, 1.5 V, and 1 V are used, there is a problem that it is very difficult to use.

【0016】[0016]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、前記
従来技術に基づく問題点をかえりみて、電源電圧を変更
する必要がなく、低消費電力化および高速化を同時に実
現することができ、かつ、非動作時のリーク電流も抑制
することができる半導体装置を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the problems based on the above-mentioned prior art, and it is not necessary to change the power supply voltage, so that low power consumption and high speed can be realized at the same time. Another object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of suppressing a leakage current during non-operation.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、外部から供給された電源およびグランド
と内部回路との間にそれぞれ接続され、通常動作時に、
前記外部から供給された電源およびグランドと前記内部
回路とを電気的に接続し、スタンバイ時に、前記外部か
ら供給された電源およびグランドと前記内部回路とを電
気的に遮断するN型MOSトランジスタおよびP型MO
Sトランジスタを有し、前記N型MOSトランジスタお
よび前記P型MOSトランジスタのしきい値電圧の絶対
値は、前記内部回路を構成するN型MOSトランジスタ
およびP型MOSトランジスタのしきい値電圧よりも大
きいことを特徴とする半導体装置を提供するものであ
る。
In order to achieve the above-mentioned object, the present invention provides a power supply and a ground which are connected between an external circuit and an internal circuit.
An N-type MOS transistor and a P-type transistor for electrically connecting the externally supplied power and ground to the internal circuit, and for electrically disconnecting the externally supplied power and ground from the internal circuit during standby Type MO
An absolute value of a threshold voltage of the N-type MOS transistor and the P-type MOS transistor is larger than threshold voltages of the N-type MOS transistor and the P-type MOS transistor forming the internal circuit. A semiconductor device is provided.

【0018】ここで、前記N型MOSトランジスタを、
前記外部から供給された電源と前記内部回路との間に接
続し、かつ、前記P型MOSトランジスタを、前記内部
回路と前記外部から供給されたグランドとの間に接続す
るのが好ましい。
Here, the N-type MOS transistor is
It is preferable that the P-type MOS transistor be connected between the externally supplied power supply and the internal circuit, and that the P-type MOS transistor be connected between the internal circuit and the externally supplied ground.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】以下に、添付の図面に示す好適実
施例に基づいて、本発明の半導体装置を詳細に説明す
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a semiconductor device according to the present invention will be described in detail based on preferred embodiments shown in the accompanying drawings.

【0020】図1(a)および(b)は、それぞれ通常
動作時およびスタンバイ時の本発明の半導体装置の一実
施例の概念図を示すものである。これらの図に示される
ように、本発明の半導体装置10は、図示例において
は、スイッチトランジスタであるN型MOSトランジス
タ(以下、NMOSという)12およびP型MOSトラ
ンジスタ(以下、PMOSという)14と、内部回路の
一例としてのPMOS16およびNMOS18とを有す
る。
FIGS. 1A and 1B are conceptual diagrams of an embodiment of the semiconductor device according to the present invention during normal operation and during standby, respectively. As shown in these figures, the semiconductor device 10 of the present invention includes, in the illustrated example, an N-type MOS transistor (hereinafter, referred to as NMOS) 12 and a P-type MOS transistor (hereinafter, referred to as PMOS) 14 which are switch transistors. , A PMOS 16 and an NMOS 18 as an example of an internal circuit.

【0021】NMOS12およびPMOS14は、通常
動作時に、外部から供給された電源およびグランドと半
導体装置10の内部回路とを電気的に接続し、これとは
逆に、スタンバイ時に、外部から供給された電源および
グランドと半導体装置10の内部回路とを電気的に非接
続とするスイッチトランジスタであって、内部回路を構
成するトランジスタ、図示例においては、PMOS16
およびNMOS18よりも比較的高いしきい値電圧を有
するものである。
The NMOS 12 and the PMOS 14 electrically connect an externally supplied power supply and ground to the internal circuit of the semiconductor device 10 during normal operation, and conversely, an externally supplied power supply during standby. And a switch transistor for electrically disconnecting the ground and the internal circuit of the semiconductor device 10 from each other.
And has a relatively higher threshold voltage than the NMOS 18.

【0022】また、PMOS16およびNMOS18
は、半導体装置10の内部回路の一例として代表的にイ
ンバータを例示したもので、上述するスイッチトランジ
スタであるNMOS12およびPMOS14よりも比較
的低いしきい値を有するものである。ここでは、図1
(c)に示されるように、スイッチトランジスタのNM
OS12およびPMOS14、ならびに、内部回路のP
MOS16およびNMOS18のしきい値電圧を、それ
ぞれ約0.7Vおよび約−0.7V、ならびに、約−
0.1Vおよび約0.1Vとする。
The PMOS 16 and the NMOS 18
Is an inverter as a typical example of the internal circuit of the semiconductor device 10, and has a relatively lower threshold value than the above-described switch transistors NMOS12 and PMOS14. Here, FIG.
As shown in (c), NM of the switch transistor
OS12 and PMOS 14 and P of internal circuit
The threshold voltages of the MOS 16 and the NMOS 18 are set to about 0.7 V and about -0.7 V, respectively, and
0.1V and about 0.1V.

【0023】なお、スイッチトランジスタのNMOS1
2およびPMOS14のしきい値電圧は、NMOS12
およびPMOS14を完全にオフ状態とすることがで
き、内部回路のPMOS16およびNMOS18による
スタンバイ時のリーク電流を低減することができる範囲
であればよい。また、内部回路のPMOS16およびN
MOS18のしきい値電圧は、特に限定されず、論理動
作ができる範囲以内で、できる限り低い方が好ましい。
The switch transistor NMOS1
2 and PMOS 14 have a threshold voltage of NMOS 12
And the PMOS 14 can be completely turned off, as long as the leakage current during standby by the PMOS 16 and the NMOS 18 of the internal circuit can be reduced. Also, the PMOS 16 and N of the internal circuit
The threshold voltage of the MOS 18 is not particularly limited, and is preferably as low as possible within a range in which a logical operation can be performed.

【0024】ここで、NMOS12およびPMOS14
のドレインは、それぞれ外部から供給された電源および
グランドに接続され、そのソースは、それぞれ内部電源
および内部グランドとして内部回路、図示例において
は、PMOS16およびNMOS18のソースに供給さ
れている。また、PMOS16およびNMOS18のゲ
ートは短絡されてインバータの入力とされ、そのドレイ
ンも短絡されてインバータの出力とされている。
Here, the NMOS 12 and the PMOS 14
Are connected to a power supply and a ground supplied from the outside, respectively, and their sources are supplied to an internal circuit, that is, a source of a PMOS 16 and an NMOS 18 in the illustrated example, as an internal power supply and an internal ground, respectively. The gates of the PMOS 16 and the NMOS 18 are short-circuited to be input to the inverter, and their drains are also short-circuited to be output from the inverter.

【0025】本発明の半導体装置10には、従来と同じ
電源電圧、例えば、現在、主に使用されている5Vまた
は3.3Vの電源電圧が供給される。これは、必ずしも
5Vまたは3.3Vの電源電圧を使用するということで
はなく、従来の5Vまたは3.3Vの電源電圧を使用す
る半導体装置と比べて、電源電圧を低下させないという
ことであって、例えばボード上で同時に使用される周囲
の半導体装置と同じ共通の電源電圧が供給される。
The semiconductor device 10 of the present invention is supplied with the same power supply voltage as the conventional one, for example, a power supply voltage of 5 V or 3.3 V which is mainly used at present. This does not necessarily mean that the power supply voltage of 5 V or 3.3 V is used, but does not lower the power supply voltage as compared with the conventional semiconductor device using the power supply voltage of 5 V or 3.3 V. For example, the same power supply voltage as that of the peripheral semiconductor devices used simultaneously on the board is supplied.

【0026】これにより、本発明の半導体装置10にお
いては、電源電圧を変更する必要がなく、本発明の半導
体装置10のためだけに、特別な電源電圧を用意する手
間が省けるという利点がある。
Thus, in the semiconductor device 10 of the present invention, there is an advantage that it is not necessary to change the power supply voltage, and the trouble of preparing a special power supply voltage only for the semiconductor device 10 of the present invention can be omitted.

【0027】また、スイッチトランジスタのNMOS1
2およびPMOS14は、通常動作時にオン状態とさ
れ、スタンバイ時にオフ状態とされる。すなわち、NM
OS12およびPMOS14のゲートは、図1(a)に
示されるように、通常動作時には、それぞれ外部から供
給された電源およびグランドの電位とされ、これとは逆
に、図1(b)に示されるように、スタンバイ時には、
それぞれ外部から供給されたグランドおよび電源の電位
とされる。
The switch transistor NMOS1
2 and the PMOS 14 are turned on during normal operation and turned off during standby. That is, NM
As shown in FIG. 1A, the gates of the OS 12 and the PMOS 14 are set to the power and ground potentials supplied from outside during normal operation, respectively, and conversely, as shown in FIG. 1B. So, during standby,
These are the ground and power supply potentials supplied from outside.

【0028】なお、スイッチトランジスタであるNMO
S12およびPMOS14のオン状態およびオフ状態を
制御する信号、すなわち、半導体装置10の通常動作時
およびスタンバイ時を切り替える信号は、例えば半導体
装置10の外部から供給されるようにしてもよいし、あ
るいは、半導体装置10の内部に、半導体装置10の動
作状態を検出する回路を設け、この検出回路により発生
される検出信号を用いて切り替えるようにしてもよい。
The switch transistor NMO
The signal for controlling the ON state and the OFF state of S12 and the PMOS 14, that is, the signal for switching the normal operation and the standby state of the semiconductor device 10 may be supplied from outside the semiconductor device 10, for example, or A circuit for detecting the operation state of the semiconductor device 10 may be provided inside the semiconductor device 10, and switching may be performed using a detection signal generated by the detection circuit.

【0029】また、図示例の半導体装置10において
は、内部回路の一例としてのインバータを構成するPM
OS16およびNMOS18だけを示しているが、スイ
ッチトランジスタを構成するPMOS12およびNMO
S14は、必要な電流量を供給することができるトラン
ジスタサイズを有していればよく、例えば内部回路を構
成する個々の基本ゲートやマクロセル毎に設けてもよい
し、あるいは、複数の基本ゲートやマクロセルに対して
共通に設けてもよい。
In the illustrated example of the semiconductor device 10, the PM constituting an inverter as an example of an internal circuit is provided.
Although only the OS 16 and the NMOS 18 are shown, the PMOS 12 and the NMO
S14 only needs to have a transistor size capable of supplying a necessary amount of current, and may be provided for each basic gate or macro cell constituting an internal circuit, or may be provided for a plurality of basic gates or It may be provided commonly to the macro cells.

【0030】本発明の半導体装置10は、基本的に、こ
のような構成を有する。次に、本発明の半導体装置10
の動作について説明する。
The semiconductor device 10 of the present invention basically has such a configuration. Next, the semiconductor device 10 of the present invention
Will be described.

【0031】図2(a)および(b)は、それぞれ通常
動作時の本発明の半導体装置の一実施例の概念図、およ
び、その一実施例の動作タイミングチャートである。図
2(a)の半導体装置10は、図1(a)に示される通
常動作時の半導体装置10の論理シミュレーション用の
等価回路を示したもので、内部回路のインバータには入
力信号VINが入力され、インバータからは出力信号V
OUT が出力され、この出力には、負荷容量cが付加され
ている。
FIGS. 2A and 2B are a conceptual diagram of an embodiment of the semiconductor device of the present invention in a normal operation and an operation timing chart of the embodiment, respectively. The semiconductor device 10 of FIG. 2A shows an equivalent circuit for logic simulation of the semiconductor device 10 in the normal operation shown in FIG. 1A, and an input signal V IN is applied to an inverter of an internal circuit. Input and output signal V from the inverter.
OUT is output, and a load capacity c is added to this output.

【0032】まず、本発明の半導体装置10において、
通常動作時には、スイッチトランジスタであるPMOS
12およびNMOS14がオン状態とされ、これらのP
MOS12およびNMOS14を介して、外部から供給
された電源およびグランドと、それぞれ内部回路のPM
OS16およびNMOS18のソースとが電気的に接続
される。これにより、内部回路のインバータは、その入
力信号VINの変化に応じて出力信号VOUT が変化する。
First, in the semiconductor device 10 of the present invention,
During normal operation, the switching transistor PMOS
12 and NMOS 14 are turned on.
A power supply and a ground externally supplied via the MOS 12 and the NMOS 14 and a PM of an internal circuit, respectively.
The OS 16 and the source of the NMOS 18 are electrically connected. Thus, the output signal V OUT of the inverter of the internal circuit changes according to the change of the input signal V IN .

【0033】このとき、内部回路に供給される内部電源
電圧VA は、 内部電源電圧VA =VDD−VTN−VrN ここで、VDDは、外部から供給された電源電圧 VTNは、NMOS12のしきい値電圧 VrNは、NMOS12の基板バイアス効果による降下電
圧 である。
At this time, the internal power supply voltage V A supplied to the internal circuit is: Internal power supply voltage V A = V DD -V TN -V rN where V DD is the external power supply voltage V TN. , NMOS 12 is a voltage drop due to the body effect of the NMOS 12.

【0034】同様に、内部回路に供給される内部グラン
ド電圧VB は、 内部グランド電圧VB =GND−VTP−VrP ここで、GNDは、外部から供給されたグランド電圧 VTPは、PMOS14のしきい値電圧 VrPは、PMOS14の基板バイアス効果による上昇電
圧 である。
Similarly, the internal ground voltage V B supplied to the internal circuit is: internal ground voltage V B = GND−V TP −V rP where GND is the ground voltage V TP supplied from the outside and PMOS 14 is threshold voltage V rP of a voltage rise due to the substrate bias effect of the PMOS 14.

【0035】従って、本発明の半導体装置10において
は、外部から供給された電源電圧V DDおよびグランド電
圧GNDに基づいて、スイッチトランジスタのNMOS
12およびPMOS14のしきい値電圧VTN,VTPおよ
び基板バイアス効果による電圧VrN,VrPに応じて、内
部電源電圧VA および内部グランド電圧VB が発生さ
れ、内部回路のインバータは、図2(b)のタイミング
チャートに示されるように、この内部電源電圧VA 〜内
部グランド電圧VB の振幅範囲内で動作する。
Therefore, in the semiconductor device 10 of the present invention,
Is the power supply voltage V supplied from the outside DDAnd ground
Switch transistor NMOS based on the voltage GND
12 and the threshold voltage V of the PMOS 14TN, VTPAnd
And voltage V due to substrate bias effectrN, VrPDepending on the
Unit power supply voltage VAAnd internal ground voltage VBOccurs
The inverter in the internal circuit operates according to the timing shown in FIG.
As shown in the chart, this internal power supply voltage VAWithin
Section ground voltage VBIt operates within the amplitude range of

【0036】ここで、本発明の半導体装置10におい
て、内部回路の消費電力Pは、例えばCMOS半導体装
置の場合、下記算出式により算出される。 消費電力P=fc(VA −VB 2 ここで、fは、動作周波数 cは、負荷容量 VA およびVB は、それぞれ内部電源電圧および内部グ
ランド電圧
Here, in the semiconductor device 10 of the present invention, the power consumption P of the internal circuit is calculated by the following formula in the case of a CMOS semiconductor device, for example. Here the power consumption P = fc (V A -V B ) 2, f is the operating frequency c is load capacitance V A and V B are respectively the internal power supply voltage and the internal ground voltage

【0037】例えば、ここでは、スイッチトランジスタ
のNMOS12およびPMOS14のしきい値電圧
TN,VTPを、それぞれ0.7Vおよび−0.7Vと
し、その基板バイアス効果による降下電圧VrNおよび上
昇電圧VrPを、それぞれ0.5Vおよび−0.5Vとす
ると、内部回路の消費電力Pは以下のようになる。 消費電力P=fc{(VDD−VTN−VrN)−(GND−VTP−VrN)}2 =fc×0.92
For example, here, the threshold voltages V TN and V TP of the switch transistors NMOS 12 and PMOS 14 are set to 0.7 V and −0.7 V, respectively, and the drop voltage V rN and the rise voltage V due to the substrate bias effect are set. Assuming that rP is 0.5 V and -0.5 V, the power consumption P of the internal circuit is as follows. Power consumption P = fc {(V DD −V TN −V rN ) − (GND−V TP −V rN )} 2 = fc × 0.9 2

【0038】また、実際には、スイッチトランジスタの
NMOS12およびPMOS14による消費電力が、上
述する内部回路の消費電力Pに加わり、電流I=fcV
=fc(VA −VB )とすれば、総消費電力PR (P=
IV)は、 総消費電力PR =fc(VA −VB 2 +fc(VA
B ){(VDD−VA )+(VB −GND)} となる。
Actually, the power consumption by the NMOS 12 and the PMOS 14 of the switch transistor is added to the power consumption P of the above-described internal circuit, and the current I = fcV
= If fc (V A -V B), the total power consumption P R (P =
IV) the total power P R = fc (V A -V B) 2 + fc (V A -
V B ) {(V DD −V A ) + (V B −GND)}.

【0039】同様に、例えば外部から供給された電源電
圧VDDおよびグランド電圧GNDをそれぞれ3.3Vお
よび0Vとすると、総消費電力PR は以下のようにな
る。 総消費電力PR =fc×0.92 +fc(VA −VB ){(VDD−VA ) +(VB −GND)}=fc×0.92 +fc(2.1−1.2){(3.3− 2.1)+(1.2−0)} =fc×2.97
[0039] Similarly, for example, supplied from an external power supply voltage V DD and the ground voltage GND to 3.3V and 0V respectively, total power consumption P R is as follows. Total power consumption P R = fc × 0.9 2 + fc ( VA− V B ) V (V DD −V A ) + (V B −GND)} = fc × 0.9 2 + fc (2.1-1) .2) {(3.3-2.1) + (1.2-0)} = fc × 2.97

【0040】従って、本発明の半導体装置10の内部回
路の消費電力は、例えば3.3Vの同じ電源電圧を使用
する従来の半導体装置と比べて以下のようになる。 0.92 /3.32 <1/10 また、本発明の半導体装置10の総消費電力は、同様に
以下のようになる。 2.97/3.32 <1/3.67 すなわち、本発明の半導体装置10によれば、電源電圧
を変更しなくても、同じ3.3Vの電源電圧を使用する
従来の半導体装置と比べて、内部回路の消費電力を10
分の1以下に削減することができ、総消費電力を3.6
7分の1以下に削減することができる。
Therefore, the power consumption of the internal circuit of the semiconductor device 10 of the present invention is as follows as compared with a conventional semiconductor device using the same power supply voltage of 3.3 V, for example. 0.9 2 /3.3 2 <1/10 The total power consumption of the semiconductor device 10 of the present invention is similarly as follows. 2.97 / 3.3 2 <1 / 3.67 That is, according to the semiconductor device 10 of the present invention, the conventional semiconductor device using the same power supply voltage of 3.3 V can be used without changing the power supply voltage. In comparison, the power consumption of the internal circuit
It can be reduced to less than 1/10, and the total power consumption is 3.6
It can be reduced to 1/7 or less.

【0041】このように、本発明の半導体装置10にお
いては、外部から供給される電源電圧VDDおよびグラン
ド電圧GNDを変更することなく、スイッチトランジス
タのNMOS12およびPMOS14により、内部電源
電圧VA および内部グランド電圧VB を発生させ、内部
回路を内部電源電圧VA 〜内部グランド電圧VB の振幅
範囲内で動作させているため、消費電力の低減に2乗で
効果があり、効果的に半導体装置10の低消費電力化を
図ることができる。
As described above, in the semiconductor device 10 of the present invention, the internal power supply voltage VA and the internal power supply voltage are controlled by the switch transistors NMOS 12 and PMOS 14 without changing the externally supplied power supply voltage V DD and ground voltage GND. generates a ground voltage V B, since the internal circuit is operated in the amplitude range of the internal power supply voltage V a ~ internal ground voltage V B, it is effective in the square to reduce power consumption, effectively a semiconductor device 10 can be reduced in power consumption.

【0042】また、本発明の半導体装置10において、
内部回路のPMOS16およびNMOS18のしきい値
電圧は、スイッチトランジスタであるNMOS12およ
びPMOS14よりも比較的低くされているため、例え
ば内部回路のPMOS16およびNMOS18のしきい
値電圧は、それぞれ−0.1Vおよび0.1Vとされて
いるため、内部電源電圧VA 〜内部グランド電圧VB
振幅範囲が0.9Vしかなくても充分高速に動作するこ
とができる。
In the semiconductor device 10 of the present invention,
Since the threshold voltages of the PMOS 16 and NMOS 18 of the internal circuit are relatively lower than those of the switch transistors NMOS 12 and PMOS 14, for example, the threshold voltages of the PMOS 16 and NMOS 18 of the internal circuit are −0.1 V and −0.1 V, respectively. Since the voltage is set to 0.1 V, it is possible to operate at sufficiently high speed even if the amplitude range of the internal power supply voltage V A to the internal ground voltage V B is only 0.9 V.

【0043】これとは逆に、図1(b)に示されるよう
に、本発明の半導体装置10のスタンバイ時には、スイ
ッチトランジスタであるPMOS12およびNMOS1
4がオフ状態とされ、これらのPMOS12およびNM
OS14により、外部から供給された電源およびグラン
ドと、それぞれ内部回路のPMOS16およびNMOS
18のソースとは電気的に遮断される。これにより、ス
タンバイ時のリーク電流を削減することができる。
On the contrary, as shown in FIG. 1B, when the semiconductor device 10 of the present invention is on standby, the PMOS transistors 12 and NMOS 1 which are switch transistors
4 is turned off, and these PMOS 12 and NM
The power and ground supplied from outside by the OS 14 and the PMOS 16 and NMOS of the internal circuit, respectively.
The source 18 is electrically disconnected. This makes it possible to reduce the leakage current during standby.

【0044】以上、本発明の半導体装置について詳細に
説明したが、本発明は上記実施例に限定されず、本発明
の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更を
してもよいのはもちろんである。
As described above, the semiconductor device of the present invention has been described in detail. However, the present invention is not limited to the above embodiment, and various improvements and modifications may be made without departing from the gist of the present invention. Of course.

【0045】[0045]

【発明の効果】以上詳細に説明した様に、本発明の半導
体装置は、外部から供給された電源およびグランドと内
部回路との間にそれぞれ接続された、しきい値電圧の絶
対値が、内部回路を構成するNMOSおよびPMOSの
しきい値電圧よりも大きいスイッチトランジスタのNM
OSおよびPMOSにより、通常動作時には、外部から
供給された電源およびグランドと内部回路とを電気的に
接続し、スタンバイ時には、外部から供給された電源お
よびグランドと内部回路とを電気的に遮断するようにし
たものである。すなわち、本発明の半導体装置は、従来
の半導体装置と同じ電源電圧を使用し、スイッチトラン
ジスタにより、内部電源電圧および内部グランド電圧を
発生し、内部回路は、この内部電源電圧〜内部グランド
電圧の振幅範囲内で動作する。このため、本発明の半導
体装置によれば、別途、専用の電源電圧を用意する必要
がないし、同じ電源電圧を使用する従来の半導体装置と
比べても、大幅に消費電力を削減することができる。ま
た、本発明の半導体装置によれば、内部回路のPMOS
およびNMOSのしきい値電圧を低くすることにより、
内部回路を高速動作させることができるし、スイッチト
ランジスタのNMOSおよびPMOSのしきい値電圧を
高くしたため、スタンバイ時のリーク電流を大幅に削減
することができる。
As described in detail above, the semiconductor device of the present invention has an absolute value of the threshold voltage, which is connected between the externally supplied power supply and the ground and the internal circuit, respectively. NM of switch transistor larger than threshold voltages of NMOS and PMOS constituting the circuit
The OS and the PMOS electrically connect the externally supplied power supply and ground to the internal circuit during normal operation, and electrically disconnect the externally supplied power supply and ground from the internal circuit during standby. It was made. That is, the semiconductor device of the present invention uses the same power supply voltage as the conventional semiconductor device, generates the internal power supply voltage and the internal ground voltage by the switch transistor, and the internal circuit generates the amplitude of the internal power supply voltage to the internal ground voltage. Operate within range. Therefore, according to the semiconductor device of the present invention, it is not necessary to separately prepare a dedicated power supply voltage, and power consumption can be significantly reduced as compared with a conventional semiconductor device using the same power supply voltage. . Further, according to the semiconductor device of the present invention, the PMOS of the internal circuit is provided.
And by lowering the threshold voltage of the NMOS,
Since the internal circuit can operate at high speed and the threshold voltages of the NMOS and PMOS of the switch transistor are increased, the leakage current during standby can be significantly reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 (a)および(b)は、それぞれ動作時およ
び非動作時の本発明の半導体装置の一実施例の構成回路
図、(c)は、本発明の半導体装置で用いられるトラン
ジスタのしきい値を示す一実施例の説明図である。
FIGS. 1A and 1B are circuit diagrams of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention during operation and non-operation, respectively, and FIG. 1C is a circuit diagram of a transistor used in the semiconductor device according to the present invention; FIG. 9 is an explanatory diagram of an example showing a threshold value.

【図2】 (a)および(b)は、それぞれ動作時の本
発明の半導体装置の一実施例の概念図、および、その一
実施例の動作タイミングチャートである。
FIGS. 2A and 2B are a conceptual diagram of an embodiment of a semiconductor device of the present invention during operation, respectively, and an operation timing chart of the embodiment.

【図3】 従来の半導体装置の一例の概念図である。FIG. 3 is a conceptual diagram of an example of a conventional semiconductor device.

【図4】 従来の半導体装置の別の例の概念図である。FIG. 4 is a conceptual diagram of another example of a conventional semiconductor device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10,20,28 半導体装置 12,18,24,32,34 N型MOSトランジス
タ(NMOS) 14,16,22,30 P型MOSトランジスタ(P
MOS) 26 VT回路
10, 20, 28 Semiconductor device 12, 18, 24, 32, 34 N-type MOS transistor (NMOS) 14, 16, 22, 30 P-type MOS transistor (P
MOS) 26 VT circuit

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】外部から供給された電源およびグランドと
内部回路との間にそれぞれ接続され、通常動作時に、前
記外部から供給された電源およびグランドと前記内部回
路とを電気的に接続し、スタンバイ時に、前記外部から
供給された電源およびグランドと前記内部回路とを電気
的に遮断するN型MOSトランジスタおよびP型MOS
トランジスタを有し、 前記N型MOSトランジスタおよび前記P型MOSトラ
ンジスタのしきい値電圧の絶対値は、前記内部回路を構
成するN型MOSトランジスタおよびP型MOSトラン
ジスタのしきい値電圧よりも大きいことを特徴とする半
導体装置。
An external circuit for connecting a power supply and a ground externally supplied to the internal circuit during a normal operation; Sometimes, an N-type MOS transistor and a P-type MOS electrically disconnect the power supply and ground supplied from outside from the internal circuit.
Transistors, wherein the absolute values of the threshold voltages of the N-type MOS transistor and the P-type MOS transistor are higher than the threshold voltages of the N-type MOS transistor and the P-type MOS transistor constituting the internal circuit. A semiconductor device characterized by the above-mentioned.
【請求項2】前記N型MOSトランジスタを、前記外部
から供給された電源と前記内部回路との間に接続し、か
つ、前記P型MOSトランジスタを、前記内部回路と前
記外部から供給されたグランドとの間に接続する請求項
1に記載の半導体装置。
2. The N-type MOS transistor is connected between the power supply supplied from the outside and the internal circuit, and the P-type MOS transistor is connected to the internal circuit and the ground supplied from the outside. 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is connected between the semiconductor device.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Cited By (2)

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US6900478B2 (en) 2001-11-22 2005-05-31 Fujitsu Limited Multi-threshold MIS integrated circuit device and circuit design method thereof
US7443224B2 (en) 2001-11-22 2008-10-28 Fujitsu Limited Multi-threshold MIS integrated circuit device and circuit design method thereof

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