TWI641208B - 直流對直流轉換器 - Google Patents
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Abstract
本發明的一個實施例的目的之一是提供一種具有低功耗的優勢的直流對直流(DCDC)轉換器。其中,控制電路包括時脈產生電路、誤差放大器、比較器以及計時器。在時脈產生電路、誤差放大器以及比較器中設置用來間歇地保持各電路具有的偏壓電路所產生的恆電位的電位保持部分。並且,在該電位保持部分中設置電容器以及開關,開關的開啟或關閉由計時器間歇地控制,即便在停止供應電壓期間也持續進行基於偏壓電路所產生的恆電位的信號的輸出。
Description
本發明係關於一種半導體裝置。本發明尤其係關於一種利用半導體特性的直流對直流(DCDC)轉換器。
已提出了組合將矽(Si)用於用作通道形成區的半導體層的電晶體以及將氧化物半導體(Oxide Semiconductor:OS)用於用作通道形成區的半導體層的電晶體(以下稱為OS電晶體)的DCDC轉換器(參照專利文獻1及專利文獻2)。
[專利文獻1]日本專利申請公開第2012-19682號公報
[專利文獻2]日本專利申請公開第2012-100522號公報
在上述專利文獻1及專利文獻2中,已揭示了具有如下結構的DCDC轉換器:作為由切換操作來進行電力轉換的電晶體使用OS電晶體,並藉由降低該OS電晶體的關態電流(off-state current)來提高電力轉換效
率。
另一方面,用來進行切換操作的控制電路被不間斷地供應電力,而控制進行切換操作的電晶體。因此,不能說控制電路所消耗的電力已得到充分降低。
鑒於上述問題,本發明的一個方式的目的之一是提供一種具有低功耗的優勢的採用新穎結構的DCDC轉換器。或者,本發明的一個方式的目的之一是提供一種即便停止給DCDC轉換器所具有的一部分電路供應電力也能夠工作而無需降低性能的採用新穎結構的DCDC轉換器。
注意,對上述目的的描述並不妨礙其他目的存在。注意,本發明的一個方式並不需要實現所有上述目的。除上述目的外的目的從說明書、圖式、申請專利範圍等的描述中是顯而易見的,並且可以從所述描述中抽出。
本發明的一個方式是一種DCDC轉換器,包括:藉由進行切換操作轉換為所需的電壓的電壓轉換電路;以及進行開關控制的控制電路。其中,控制電路包括時脈產生電路、誤差放大器、比較器以及計時器。在時脈產生電路、誤差放大器及比較器中設置用來間歇地保持各電路具有的偏壓電路所產生的恆電位的電位保持部分。並且,在該電位保持部分中設置電容器及開關,該開關的開啟或關閉由計時器間歇地控制,即便在停止供應電力期間
也能夠持續進行基於偏壓電路所產生的恆電位的信號的輸出。
注意,作為電位保持部分中的開關,使用關態電流極低的電晶體。作為關態電流極低的電晶體,可以使用其通道形成在氧化物半導體膜中的電晶體。藉由作為開關使用其通道形成在氧化物半導體膜中的電晶體,即便在將連接有開關及電容器的節點的電位保持為恆定之後使開關關閉,也能夠將藉由開關洩露的電荷量抑制到極少。
因此,在電位保持部分中,藉由使開關關閉,可以將偏壓電路所產生的恆電位保持在連接有開關及電容器的節點中。因此,不需要持續輸出偏壓電路所產生的恆電位,所以不需要使偏壓電路始終工作。由此,可以停止給偏壓電路供應電力,從而能夠減少偏壓電路所消耗的電力。
本發明的一個方式是一種DCDC轉換器,包括:具有電晶體的電壓轉換電路;以及控制電晶體的控制電路,其中,控制電路包括時脈產生電路、誤差放大器、比較器以及計時器,時脈產生電路、誤差放大器以及比較器分別包括偏壓電路以及用來保持偏壓電路所產生的恆電位的電位保持部分,並且,該電位保持部分包括電容器以及開關,該開關的開啟或關閉由計時器間歇地控制。
在本發明的一個方式的DCDC轉換器中,計時器較佳為控制為在使開關關閉期間停止給偏壓電路供應電力的電路。
在本發明的一個方式的DCDC轉換器中,控制電路較佳為包括能帶間隙基準電路、基準偏壓產生電路(reference bias generation circuit)以及參考電壓產生電路,並且計時器較佳為控制為在使開關關閉期間停止能帶間隙基準電路、基準偏壓產生電路以及參考電壓產生電路所輸出的信號的電路。
在本發明的一個方式的DCDC轉換器中,開關較佳為將氧化物半導體用於用作通道形成區的半導體層的電晶體。
在本發明的一個方式的DCDC轉換器中,較佳的是,電壓轉換電路採用非絕緣型升壓扼流圈方式、非絕緣型降壓扼流圈方式、絕緣型順向方式、絕緣型返馳方式、半橋方式或全橋方式。
根據本發明的一個方式,能夠提供一種具有低功耗的優勢的採用新穎結構的DCDC轉換器。或者,根據本發明的一個方式,能夠提供一種即便停止給DCDC轉換器所具有的一部分電路供應電力也能夠工作而無需降低性能的採用新穎結構的DCDC轉換器。
10‧‧‧DCDC轉換器
100‧‧‧控制電路
101‧‧‧能帶間隙基準電路
102‧‧‧參考電壓產生電路
103‧‧‧基準偏壓產生電路
104‧‧‧時脈產生電路
105‧‧‧誤差放大器
106‧‧‧比較器
107‧‧‧計時器
111‧‧‧OP放大器
112‧‧‧OP放大器
113‧‧‧OT放大器
114A‧‧‧電阻器
114B‧‧‧電阻器
115‧‧‧電位保持部分
121‧‧‧偏壓電路
122‧‧‧放大電路
123A‧‧‧電位保持部分
123C‧‧‧電位保持部分
123D‧‧‧電位保持部分
131‧‧‧偏壓電路
132‧‧‧電壓放大電路
133A‧‧‧電位保持部分
133D‧‧‧電位保持部分
141‧‧‧偏壓電路
142‧‧‧比較電路
143A‧‧‧電位保持部分
143D‧‧‧電位保持部分
151‧‧‧偏壓電路
152‧‧‧時脈產生部分
153A‧‧‧電位保持部分
153D‧‧‧電位保持部分
154‧‧‧比較電路
155‧‧‧控制用邏輯電路
156‧‧‧電晶體
157‧‧‧電晶體
200‧‧‧電壓轉換電路
200A‧‧‧電壓轉換電路
200B‧‧‧電壓轉換電路
200C‧‧‧電壓轉換電路
200D‧‧‧電壓轉換電路
211‧‧‧電晶體
212‧‧‧線圈
213‧‧‧二極體
214‧‧‧電容器
215‧‧‧電阻器
221‧‧‧電晶體
222‧‧‧二極體
223‧‧‧線圈
224‧‧‧電容器
225‧‧‧電阻器
231‧‧‧電晶體
232‧‧‧變壓器
233‧‧‧二極體
234‧‧‧二極體
235‧‧‧線圈
236‧‧‧電容器
241‧‧‧電晶體
242‧‧‧變壓器
243‧‧‧二極體
244‧‧‧電容器
800‧‧‧半導體基板
801‧‧‧元件分離絕緣膜
802‧‧‧雜質區域
803‧‧‧雜質區域
804‧‧‧閘極電極
805‧‧‧閘極絕緣膜
809‧‧‧絕緣膜
810‧‧‧佈線
811‧‧‧佈線
812‧‧‧佈線
815‧‧‧佈線
816‧‧‧佈線
817‧‧‧佈線
820‧‧‧絕緣膜
821‧‧‧佈線
830‧‧‧半導體膜
831‧‧‧閘極絕緣膜
832‧‧‧導電膜
833‧‧‧導電膜
834‧‧‧閘極電極
835‧‧‧導電膜
841‧‧‧絕緣膜
843‧‧‧導電膜
901‧‧‧外殼
902‧‧‧外殼
903a‧‧‧顯示部
903b‧‧‧顯示部
904‧‧‧選擇按鈕
905‧‧‧鍵盤
911‧‧‧外殼
912‧‧‧外殼
913‧‧‧顯示部
914‧‧‧顯示部
915‧‧‧軸部
916‧‧‧電源
917‧‧‧操作鍵
918‧‧‧揚聲器
921‧‧‧外殼
922‧‧‧顯示部
923‧‧‧支架
924‧‧‧遙控器
930‧‧‧主體
931‧‧‧顯示部
932‧‧‧揚聲器
933‧‧‧麥克風
934‧‧‧操作按鈕
941‧‧‧主體
942‧‧‧顯示部
OSTr‧‧‧電晶體
SiTr‧‧‧電晶體
Cp‧‧‧電容器
P_SWA‧‧‧電源開關
P_SWB‧‧‧電源開關
P_SWC‧‧‧電源開關
P_SWD‧‧‧電源開關
在圖式中:圖1A和圖1B是根據本發明的一個實施例的方塊圖;
圖2A和圖2B是根據本發明的一個實施例的方塊圖;圖3是根據本發明的一個實施例的方塊圖;圖4A和圖4B是根據本發明的一個實施例的電路圖;圖5是根據本發明的一個實施例的電路圖;圖6是根據本發明的一個實施例的電路圖;圖7是根據本發明的一個實施例的波形圖;圖8是根據本發明的一個實施例的波形圖;圖9A和圖9B是根據本發明的一個實施例的電路圖;圖10A和圖10B是根據本發明的一個實施例的電路圖;圖11是根據本發明的一個實施例的剖面圖;圖12A至圖12E是示出使用DCDC轉換器的電子裝置的圖。
下面,參照圖式對實施方式進行說明。注意,所屬技術領域的普通技術人員可以很容易地理解一個事實,就是實施方式可以以多個不同形式來實施,其方式和詳細內容可以在不脫離本發明的精神及其範圍的條件下被變換為各種各樣的形式。因此,本發明不應該被解釋為僅限定於下面的實施方式所記載的內容中。注意,在下面
說明的發明的結構中,在不同的圖式中共同使用相同的符號來表示相同的部分。
另外,在圖式中,為便於清楚地說明,有時誇大表示大小、層的厚度或區域。因此,本發明並不一定限定於上述尺寸。此外,在圖式中,示意性地示出理想的例子,而不侷限於圖式所示的形狀或數值等。例如,可以包括因雜波或定時偏差等所引起的信號、電壓或電流的不均勻等。
此外,在本說明書等中,電晶體是指至少包括閘極、汲極以及源極這三個端子的元件。電晶體在汲極(汲極端子、汲極區或汲極電極)與源極(源極端子、源極區或源極電極)之間具有通道區,並且電流能夠流過汲極、通道區以及源極。
在此,因為源極和汲極根據電晶體的結構或工作條件等而更換,因此很難確定哪個是源極哪個是汲極。因此,有時不將用作源極的部分或用作汲極的部分稱為源極或汲極,而將源極和汲極中的一個稱為第一電極並將源極和汲極中的另一個稱為第二電極。
注意,本說明書等所使用的“第一”、“第二”、“第三”等序數詞是為了避免構成要素的混同而附加的,而不是為了在數目方面上進行限定而附加的。
注意,在本說明書等中,“使A與B連接”的描述除了包括使A與B直接連接的情況以外,還包括使A與B電連接的情況。在此,“使A與B電連接”的描述
是指當在A與B之間存在具有某種電作用的目標物時,能夠進行A和B的電信號的授受。
注意,在本說明書等中,為了方便起見,使用“上”“下”等表示配置的詞句以參照圖式說明構成要素的位置關係。另外,構成要素的位置關係根據描述各構成要素的方向適當地改變。因此,不侷限於本說明書中所說明的詞句,根據情況可以適當地更換表達方式。
另外,在本說明書等中,圖式中的各電路方塊的配置是因說明關係而特定位置關係的,雖然在圖式中示出不同的電路方塊具有不同的功能,但是有時在實際的電路或區域中可以設置為在相同的電路或相同的區域中實現不同的功能。此外,圖式中的各電路方塊的功能是因說明關係而特定功能的,即使示出的是一個電路方塊,但是有時在實際的電路或區域中也可以設置為藉由多個電路方塊進行一個電路方塊所進行的處理。
注意,在本說明書等中,電壓大多是指某個電位和參考電位(例如接地電位)之間的電位差。由此,可將電壓、電位以及電位差分別換稱為電位、電壓和電壓差。注意,電壓是指兩點之間的電位差,並且電位是指某一點處的靜電場中的單位電荷所具有的靜電能(電位能)。
注意,在本說明書等中,“平行”是指在配置兩條直線時兩條直線形成的角度為-10°以上且10°以下的狀態。因此,也包括角度為-5°以上且5°以下的情況。另
外,“垂直”是指在80°以上且100°以下的角度的範圍中配置兩條直線的狀態。因此,也包括85°以上且95°以下的角度的情況。
另外,在本說明書等中,六方晶系包括三方晶系和菱方晶系。
在本實施方式中,說明DCDC轉換器的電路結構及其工作。
注意,DCDC轉換器是利用半導體特性的電路。因此,有時還將DCDC轉換器稱為半導體裝置。在此,半導體裝置是指包括半導體元件的裝置。另外,半導體裝置包括用來驅動具有半導體元件的電路的驅動電路等。
首先,參照圖1A說明DCDC轉換器的一個例子。
圖1A所示的DCDC轉換器10包括控制電路100(圖中縮寫為“Controller”)以及電壓轉換電路200(圖中縮寫為“Voltage Converter”)。
DCDC轉換器10為用來將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout的電路。輸入電壓Vin較佳為直流電壓。在輸入電壓Vin為交流電壓的情況下,較佳為將交流電壓轉換為直流電壓然後供應到DCDC轉換器10。
控制電路100為用來輸出脈衝寬度控制信號
(圖中縮寫為“PWM Signal”)的電路,該脈衝寬度控制信號是用來控制電壓轉換電路200所具有的用作開關的電晶體的開啟或關閉的信號。控制電路100被供應輸入電壓Vin以及來自電壓轉換電路200的回饋信號(圖中縮寫為“Feed Back Signal(FB)”)並輸出脈衝寬度控制信號。另外,在本實施方式中,雖然說明採用脈衝寬度調變方式的結構,但也可以採用PFM(脈衝頻率調變)方式。
電壓轉換電路200是包括用作開關的電晶體且藉由切換該電晶體的開啟或關閉來將輸入電壓Vin升壓或降壓轉換至輸出電壓Vout的電路。本實施方式中的電壓轉換電路200既可以採用將輸入電壓Vin升壓的電路結構又可以採用將輸入電壓Vin降壓的電路結構。注意,用作開關的電晶體較佳為藉由使用單晶矽或SiC來能夠高速進行切換操作的電晶體,但也可以為使用其他半導體材料製造的電晶體。
接下來,參照圖1B說明圖1A所示的控制電路100的方塊圖的一個例子。
圖1B所示的控制電路100包括能帶間隙基準電路101(圖中縮寫為“BGR”)、參考電壓產生電路102(圖中縮寫為“VREFGEN”)、基準偏壓產生電路103(圖中縮寫為“BIASGEN”)、時脈產生電路104(圖中縮寫為“CLKGEN”)、誤差放大器105(圖中縮寫為“ERRAMP”)、比較器106(圖中縮寫為“PWMCMP”)以及計時器107(圖中縮寫為“Timer”)。
在能帶間隙基準電路101中,根據輸入電壓Vin產生用來使參考電壓產生電路102及基準偏壓產生電路103工作的基準電壓VBGR。另外,在能帶間隙基準電路101中,可以根據從計時器107輸出的模式切換信號(圖中縮寫為“φ1”)停止產生基準電壓VBGR。此外,為了停止輸入電壓Vin的供應,對能帶間隙基準電路101內的電晶體的閘極施加電位以不使該電晶體工作來停止所輸出的信號,即可。
在參考電壓產生電路102中,根據基準電壓VBGR產生控制電路100內使用的參考電壓VREF。另外,作為一個例子,參考電壓VREF為供應給誤差放大器105的電壓。此外,參考電壓產生電路102被供應輸入電壓Vin,但可以根據從計時器107輸出的模式切換信號停止產生參考電壓VREF。另外,為了停止輸入電壓Vin的供應,對參考電壓產生電路102內的電晶體的閘極施加電位以不使該電晶體工作來停止所輸出的信號,即可。
在基準偏壓產生電路103中,根據基準電壓VBGR產生控制電路100內使用的偏壓電流(圖中縮寫為“BIAS CURRENTS”)。另外,作為一個例子,偏壓電流為供應給時脈產生電路104、誤差放大器105以及比較器106的電流。此外,基準偏壓產生電路103被供應輸入電壓Vin,但可以根據從計時器107輸出的模式切換信號停止偏壓電流。另外,為了停止輸入電壓Vin的供應,對基準偏壓產生電路103內的電晶體的閘極施加電位以不使該
電晶體工作來停止所輸出的信號,即可。
在時脈產生電路104中,被供應偏壓電流以及輸入電壓Vin,並產生控制電路100內使用的時脈信號及三角波。另外,作為一個例子,時脈產生電路104包括偏壓電路、基準時脈產生電路及電位保持部分。偏壓電路根據偏壓電流產生作為恆電位的偏壓電壓。此外,基準時脈產生電路根據該偏壓電壓產生時脈信號及三角波。電位保持部分包括電容器及開關,並且該開關的開啟或關閉由計時器107間歇地控制,由此,電位保持部分可以根據從計時器107輸出的模式切換信號保持偏壓電壓。因此,即便停止偏壓電路的功能也能夠持續給基準時脈產生電路供應偏壓電壓。
注意,時脈產生電路104被供應輸入電壓Vin,但可以根據從計時器107輸出的模式切換信號停止給時脈產生電路104所具有的偏壓電路供應輸入電壓Vin來停止產生偏壓電壓。另外,為了停止給偏壓電路供應輸入電壓Vin,也可以在偏壓電路中設置電源閘控用開關來切換該開關的開啟或關閉。
誤差放大器105被供應偏壓電流及輸入電壓Vin,並產生放大回饋信號的電位與參考電壓VREF之差的誤差信號(圖中縮寫為“ERR_OUT”)。作為一個例子,誤差放大器105包括OP(運算)放大器(Operational Amplifier)以及OT(運算互導)放大器(Operational Trans-conductance Amplifier)。
作為一個例子,OP放大器包括偏壓電路、電壓放大電路以及電位保持部分。偏壓電路根據偏壓電流產生作為恆電位的偏壓電壓。另外,電壓放大電路根據該偏壓電壓放大被輸入的回饋信號的電位與參考電壓VREF之差而產生信號。電位保持部分包括電容器以及開關,並且該開關的開啟或關閉由計時器107間歇地控制,由此,電位保持部分可以根據從計時器107輸出的模式切換信號保持偏壓電壓。因此,即便停止偏壓電路的功能也能夠持續給電壓放大電路供應偏壓電壓。
作為一個例子,OT放大器包括偏壓電路、電壓放大電路以及電位保持部分。偏壓電路根據偏壓電流產生作為恆電位的偏壓電壓。另外,電壓放大電路根據該偏壓電壓放大被輸入的回饋信號的電位與參考電壓VREF之差而產生信號。電位保持部分包括電容器以及開關,並且該開關的開啟或關閉由計時器107間歇地控制,由此電位保持部分可以根據從計時器107輸出的模式切換信號保持偏壓電壓。因此,即便停止偏壓電路的功能也能夠持續給電壓放大電路供應偏壓電壓。
注意,誤差放大器105所具有的OP放大器及OT放大器被供應輸入電壓Vin,但可以根據從計時器107輸出的模式切換信號停止給OP放大器及OT放大器所具有的偏壓電路供應輸入電壓Vin來停止產生偏壓電壓。另外,為了停止給偏壓電路供應輸入電壓Vin,也可以在供應輸入電壓Vin的佈線與偏壓電路之間設置電源閘控用開
關而切換該開關的開啟或關閉。
比較器106被供應誤差信號及三角波,並產生用來控制電壓轉換電路200所具有的用作開關的電晶體的開啟或關閉的脈衝寬度信號。作為一個例子,比較器106包括偏壓電路、比較電路及電位保持部分。偏壓電路根據偏壓電流產生作為恆電位的偏壓電壓。此外,比較電路根據該偏壓電壓對誤差信號的電位與三角波的電位進行比較,並根據該偏壓電壓產生基於比較過的上述兩者電位之間的大小關係得到的信號。電位保持部分包括電容器及開關,並且該開關的開啟或關閉由計時器107間歇地控制,由此,電位保持部分可以根據從計時器107輸出的模式切換信號保持偏壓電壓。因此,即便停止偏壓電路的功能也能夠持續給比較電路供應偏壓電壓。
注意,比較器106被供應輸入電壓Vin,但可以根據從計時器107輸出的模式切換信號停止給比較器106所具有的偏壓電路供應輸入電壓Vin來停止產生偏壓電壓。另外,為了停止給偏壓電路供應輸入電壓Vin,也可以在供應輸入電壓Vin的佈線與偏壓電路之間設置電源閘控用開關而切換該開關的開啟或關閉。
計時器107對能帶間隙基準電路101、參考電壓產生電路102、基準偏壓產生電路103、時脈產生電路104、誤差放大器105以及比較器106輸出用來按每一定期間切換狀態的模式切換信號。模式切換信號為用來切換第一模式和第二模式的信號。另外,作為一個例子,模式
切換信號為按每一定期間使用計算器等計算時脈產生電路104所產生的時脈信號的波數來使模式切換的信號。
在第一模式中,將模式切換信號設定為H位準,即可。在第一模式中,控制為使時脈產生電路104、誤差放大器105以及比較器106所具有的電位保持部分中的開關開啟,並將偏壓電壓供應到電位保持部分。另外,在第一模式中,使用來給時脈產生電路104、誤差放大器105以及比較器106所具有的偏壓電路供應輸入電壓Vin的電源閘控用開關開啟,即可。此外,在第一模式中,使用來給能帶間隙基準電路101、參考電壓產生電路102以及基準偏壓產生電路103供應輸入電壓Vin的電源閘控用開關開啟,即可。第一模式有時為取樣模式(Sampling mode)。
圖2A是視覺性地示出在圖1B的控制電路100處於第一模式時供應輸入電壓Vin的狀態的方塊圖。在圖中,以粗線的箭頭表示給各電路供應輸入電壓Vin的情況。
在第二模式中,將模式切換信號設定為L位準,即可。在第二模式中,控制為使時脈產生電路104、誤差放大器105以及比較器106所具有的電位保持部分中的開關關閉,並在電位保持部分中保持在第一模式下供應的偏壓電壓。另外,在第二模式中,使用來給時脈產生電路104、誤差放大器105以及比較器106所具有的偏壓電路供應輸入電壓Vin的電源閘控用開關關閉,即可。此
外,在第二模式中,使用來給能帶間隙基準電路101、參考電壓產生電路102以及基準偏壓產生電路103供應輸入電壓Vin的電源閘控用開關關閉,即可。第二模式有時為保持模式(Hold mode)。
圖2B是視覺性地示出在圖1B所示的控制電路100處於第二模式時供應輸入電壓Vin的狀態的方塊圖。在圖中,以粗線的箭頭表示給各電路供應輸入電壓Vin的情況。另外,在圖中,以粗線的虛線箭頭表示部分地給各電路供應輸入電壓Vin的情況。此外,在圖中,以細線的虛線箭頭表示停止給各電路供應輸入電壓Vin的情況。在圖中,以叉號表示來自各電路的信號的供應停止的情況。
藉由上述結構,在時脈產生電路104、誤差放大器105以及比較器106所具有的電位保持部分中,能夠將電位的取樣或保持由來自計時器107的模式切換信號間歇地控制。第一模式和第二模式的切換藉由控制電位保持部分所具有的開關的開啟或關閉進行。另外,在電位保持部分中,保持偏壓電路所產生的作為恆電位的偏壓電壓,並即便在停止給偏壓電路供應電力期間也能夠在後級的電路中持續輸出信號。因此,藉由使用具有本實施例所示的結構的DCDC轉換器的控制電路,能夠提供一種具有低功耗的優勢的DCDC轉換器。或者,藉由使用具有本實施例所示的結構的DCDC轉換器的控制電路,能夠提供一種即便停止給控制電路所具有的一部分電路供應電力也能夠工
作而無需降低性能的DCDC轉換器。
接下來,為了說明時脈產生電路104、誤差放大器105以及比較器106所具有的電位保持部分的結構,對各電路的具體電路結構的一個例子進行說明。
首先,圖3示出誤差放大器105的電路結構的一個例子。圖3所示的誤差放大器105包括OP放大器111、OP放大器112、OT放大器113、電阻器114A、電阻器114B以及電位保持部分115。
對OP放大器111的輸入端子供應回饋信號以及用來進行負反饋的輸出信號,並且OP放大器111從輸出端子輸出輸出信號。對OP放大器112的輸入端子供應參考電壓VREF且藉由電阻器114A供應OP放大器111的輸出信號,並且OP放大器112從輸出端子輸出輸出信號。OP放大器112的輸出信號藉由電阻器114B負反饋到被供應OP放大器111的輸出信號的OP放大器112的輸入端子。對OT放大器113的輸入端子供應參考電壓VREF以及OP放大器112的輸出信號,並且OT放大器113從輸出端子輸出誤差信號。
電位保持部分115由用作開關的電晶體以及電容器構成。對用作開關的電晶體的閘極供應模式切換信號,從而能夠控制該電晶體的開啟或關閉。
作為用作開關的電晶體使用關態電流極低的電晶體。作為關態電流極低的電晶體可以使用其通道形成在氧化物半導體膜中的電晶體。
注意,關態電流低是指室溫下的以每通道寬度1μm的正規化的關態電流為10zA/μm以下。由於關態電流越低越好,因此該正規化的關態電流值較佳為1zA/μm以下,更佳為10yA/μm以下,進一步較佳為1yA/μm以下。此時,源極與汲極之間的電壓例如為0.1V、5V或10V左右。
在第一模式下由模式切換信號使用作開關的電晶體開啟。另外,在第二模式下由模式切換信號使用作開關的電晶體關閉。藉由作為開關使用其通道形成在氧化物半導體膜中的電晶體,即便在將連接有開關及電容器的節點的電位保持為恆定之後使開關關閉,也能夠將藉由開關洩露的電荷量抑制到極少。
因此,在電位保持部分115中,藉由使開關關閉,能夠將參考電壓產生電路102所產生的參考電壓VREF保持在連接有開關及電容器的節點中。
注意,在本說明書中,為了表示在OS電晶體中將氧化物半導體用於用作通道形成區的半導體層,在電晶體的旁邊附有“OS”的符號。
注意,電位保持部分115所具有的電容器連接於接地線。另外,電容器的一方的電極連接於被供應恆電位的佈線,即可。此外,也可以藉由利用寄生電容或電晶體的閘極電容省略該電容器。
接著,圖4A示出OT放大器113的具體電路結構的一個例子。OT放大器113包括偏壓電路121、放
大電路122、電位保持部分123A至電位保持部分123C以及電源開關P_SWA。
偏壓電路121為具有根據基準偏壓產生電路103所供應的偏壓電流產生在放大電路122中使用的恆電壓的偏壓電壓的功能的電路。另外,偏壓電壓可以藉由使電流流過被供應輸入電壓Vin的多個電晶體得到。並且,所得到的多個電壓作為偏壓電壓藉由電位保持部分123A至電位保持部分123C供應到放大電路122所具有的電晶體的閘極。另外,偏壓電路121由使用電流鏡的電路構成即可。
在放大電路122中,在藉由電位保持部分123A至電位保持部分123C給電晶體的閘極供應偏壓電壓的狀態下,當輸入端子IN+及輸入端子IN-被輸入信號時,輸出作為將回饋信號放大的信號的誤差信號。另外,放大電路122由差動放大電路及使用電流鏡的電路構成即可。
電位保持部分123A至電位保持部分123C分別由用作開關的電晶體以及電容器構成。用作開關的電晶體的閘極被供應模式切換信號,從而能夠控制該電晶體的開啟或關閉。
電源開關P_SWA由用作電源開關的電晶體構成。用作電源開關的電晶體的閘極被供應模式切換信號,從而能夠控制該電晶體的開啟或關閉。
因此,在電位保持部分123A至電位保持部分
123C中,藉由使開關關閉,能夠將偏壓電路121所產生的恆電位保持在連接有開關及電容器的節點中。於是,不需要持續輸出偏壓電路121所產生的恆電位,所以可以使電源開關P_SWA關閉來停止偏壓電路121的工作。由此,可以停止給偏壓電路供應電力而無需停止OT放大器113的工作,從而可以提供一種能夠減少偏壓電路121所消耗的電力的OT放大器113。
注意,電位保持部分123A至電位保持部分123C所具有的電容器連接於被供應輸入電壓Vin的佈線或者接地線。另外,電容器的一方的電極連接於被供應恆電位的佈線即可。此外,也可以藉由利用寄生電容或電晶體的閘極電容省略該電容器。
另外,構成偏壓電路121及放大電路122的電晶體較佳為由將矽(Si)用於用作通道形成區的半導體層的電晶體構成。藉由採用該結構,能夠增大流過電晶體的電流量,從而能夠實現電路工作的高速化。
接著,圖4B示出OP放大器111及OP放大器112的具體電路結構的一個例子。OP放大器111及OP放大器112包括偏壓電路131、電壓放大電路132、電位保持部分133A至電位保持部分133D以及電源開關P_SWB。
偏壓電路131為具有根據基準偏壓產生電路103所供應的偏壓電流產生在電壓放大電路132中使用的作為恆電壓的偏壓電壓的功能的電路。另外,偏壓電壓藉
由使電流流過被供應輸入電壓Vin的多個電晶體得到。並且,所得到的多個電壓作為偏壓電壓藉由電位保持部分133A至電位保持部分133D供應到電壓放大電路132所具有的電晶體的閘極。另外,偏壓電路131由使用電流鏡的電路構成即可。
在電壓放大電路132中,在藉由電位保持部分133A至電位保持部分133D給電晶體的閘極供應偏壓電壓的狀態下,當輸入端子IN+及輸入端子IN-被輸入信號時,輸出輸出信號OUT。另外,電壓放大電路132由差動放大電路、使用電流鏡的電路構成即可。
電位保持部分133A至電位保持部分133D分別與電位保持部分123A至電位保持部分123C同樣地由用作開關的電晶體以及電容器構成。另外,電源開關P_SWB與電源開關P_SWA同樣地由用作開關的電晶體構成。
因此,在電位保持部分133A至電位保持部分133D中,藉由使開關關閉,能夠將偏壓電路131所產生的恆電位保持在連接有開關及電容器的節點中。於是,不需要持續輸出偏壓電路131所產生的恆電位,所以可以使電源開關P_SWB關閉來停止偏壓電路131的工作。由此,可以停止給偏壓電路供應電力而無需停止OP放大器111及OP放大器112的工作,從而可以提供一種能夠減少偏壓電路131所消耗的電力的OP放大器111及OP放大器112。
另外,構成偏壓電路131及電壓放大電路132的電晶體較佳為由將矽(Si)用於用作通道形成區的半導體層的電晶體構成。藉由採用該結構,能夠增大流過電晶體的電流量,從而能夠實現電路工作的高速化。
接著,圖5示出比較器106的具體電路結構的一個例子。比較器106包括偏壓電路141、比較電路142、電位保持部分143A至電位保持部分143D以及電源開關P_SWC。
偏壓電路141為具有根據基準偏壓產生電路103所供應的偏壓電流產生在比較電路142中使用的作為恆電壓的偏壓電壓的功能的電路。另外,偏壓電壓可以藉由使電流流過被供應輸入電壓Vin的多個電晶體得到。並且,所得到的多個電壓作為偏壓電壓藉由電位保持部分143A至電位保持部分143D供應到比較電路142所具有的電晶體的閘極。另外,偏壓電路141由使用電流鏡的電路構成即可。
比較電路142在藉由電位保持部分143A至電位保持部分143D給電晶體的閘極供應偏壓電壓的狀態下,當輸入端子IN+及輸入端子IN-被輸入信號時,輸出輸出信號OUT。另外,比較電路142由差動放大電路及使用電流鏡的電路構成即可。
電位保持部分143A至電位保持部分143D分別與電位保持部分123A至電位保持部分123C同樣地由用作開關的電晶體以及電容器構成。另外,電源開關
P_SWC與電源開關P_SWA同樣地由用作開關的電晶體構成。
因此,在電位保持部分143A至電位保持部分143D中,藉由使開關關閉,能夠將偏壓電路141所產生的恆電位保持在連接有開關及電容器的節點中。於是,不需要持續輸出偏壓電路141所產生的恆電位,所以可以使電源開關P_SWC關閉來停止偏壓電路141的工作。由此,可以停止給偏壓電路供應電力而無需停止比較器106的工作,從而可以提供一種能夠工作而無需降低性能且能夠減少偏壓電路141所消耗的電力的比較器106。
另外,構成偏壓電路141及比較電路142的電晶體較佳為由將矽(Si)用於用作通道形成區的半導體層的電晶體構成。藉由採用該結構,能夠增大流過電晶體的電流量,從而能夠實現電路工作的高速化。
接著,圖6示出時脈產生電路104的具體電路結構的一個例子。時脈產生電路104包括偏壓電路151、時脈產生部分152、電位保持部分153A至電位保持部分153D以及電源開關P_SWD。
偏壓電路151為具有根據基準偏壓產生電路103所供應的偏壓電流產生在時脈產生部分152中使用的作為恆電壓的偏壓電壓的功能的電路。另外,偏壓電壓可以藉由使電流流過被供應輸入電壓Vin的多個電晶體得到。並且,所得到的多個電壓作為偏壓電壓藉由電位保持部分153A至電位保持部分153D供應到時脈產生部分152
所具有的電晶體的閘極。另外,偏壓電路151由使用電流鏡的電路構成即可。
時脈產生部152包括比較電路154、控制用邏輯電路155(圖中縮寫為“Control Logic”)、用作開關的電晶體156以及電晶體157。在時脈產生部分152中,控制為在藉由電位保持部分153A至電位保持部分153D給電晶體的閘極供應偏壓電壓的狀態下,藉由由控制用邏輯電路155交替選擇電晶體156及電晶體157的開啟或關閉,以固定的速度進行電壓的升降。並且,在時脈產生部分152中,使用比較電路154對以固定的速度升降的電壓與參考電壓VREFH進行比較且使用比較電路154對以固定的速度升降的電壓與參考電壓VREFL進行比較。由控制用邏輯電路155利用比較電路154的比較結果控制電晶體156及電晶體157的開啟或關閉,並將以固定的速度升降的電壓形成為三角波。另外,控制用邏輯電路155可以與所形成的三角波同步地產生時脈信號。
電位保持部分153A至電位保持部分153D分別與電位保持部分123A至電位保持部分123C同樣地由用作開關的電晶體以及電容器構成。另外,電源開關P_SWD與電源開關P_SWA同樣地由用作開關的電晶體構成。
因此,在電位保持部分153A至電位保持部分153D中,藉由使開關關閉,能夠將偏壓電路151所產生的恆電位保持在連接有開關及電容器的節點中。於是,不
需要持續輸出偏壓電路151所產生的恆電位,所以可以使電源開關P_SWD關閉來停止偏壓電路151的工作。由此,可以停止給偏壓電路供應電力而無需停止時脈產生部分152的工作,從而可以提供一種能夠工作而無需降低性能且能夠減少偏壓電路151所消耗的電力的時脈產生電路104。
另外,構成偏壓電路151及時脈產生部分152的電晶體較佳為由將矽(Si)用於用作通道形成區的半導體層的電晶體構成。藉由採用該結構,能夠增大流過電晶體的電流量,從而能夠實現電路工作的高速化。
接著,參照圖7說明比較器106的工作。圖7示出重疊三角波(Triangle Wave)的波形、三角波與誤差放大器的輸出信號(ERR_OUT)的波形的情況,並且示出比較器106所輸出的脈衝寬度控制信號的波形。
如圖7所示那樣,時脈產生電路104所輸出的三角波是在圖6所說明的反復上升到參考電壓VREFH與下降到參考電壓VREFL的信號。另一方面,供應到比較器106的誤差放大器的輸出信號的波形根據與輸出電壓Vout同樣地變化的回饋信號連續地變化。因此,誤差放大器的輸出信號的波形也是連續變化的波形。
在比較器106中,可以基於該兩個信號的大小關係產生成為脈衝寬度控制信號的矩形波。可以由脈衝寬度控制信號控制電壓轉換電路200所具有的用作開關的電晶體的開啟或關閉。藉由控制該電晶體的開啟或關閉,
能夠將輸出電壓Vout控制為固定的恆電壓。例如,當輸出電壓Vout發生變化時,誤差放大器的輸出信號的波形根據回饋信號發生變化,與此相應地,脈衝寬度控制信號發生變化,從而能夠將輸出電壓Vout控制為固定的恆電壓。
接著,參照圖8說明計時器107對開關的控制。圖8示出輸入電壓Vin的變化以及模式切換信號φ1的信號波形。
在本實施例的DCDC轉換器10的控制電路100中,如上所述那樣使用模式切換信號φ1進行第一模式和第二模式的切換。藉由進行第一模式和第二模式的切換,能夠將分別設置於時脈產生電路、誤差放大器及比較器的各偏壓電路所產生的恆電位間歇地保持在電位保持部分。
明確而言,如圖8所示,與輸入電壓Vin的上升一起將模式切換信號φ1切換為第一模式(取樣模式)。然後,將模式切換信號φ1切換為第二模式(保持模式)。由計時器107測量時間在經過一定期間後,再次將模式切換信號φ1切換成第一模式,如此反復進行第一模式和第二模式的切換。
藉由由控制電路100所具有的計時器107控制為反復交替切換第一模式和第二模式,能夠實現控制電路100所具有的各電路的低功耗。明確而言,當處於第二模式時,停止給分別設置於時脈產生電路104、誤差放大
器105以及比較器106的偏壓電路121、偏壓電路131、偏壓電路141以及偏壓電路151供應電力。藉由採用該結構,消除處於第二模式時流過偏壓電路的電流,從而能夠減少該部分的耗電量。
注意,在本實施例的結構中,即便間歇地停止給分別設置於時脈產生電路104、誤差放大器105以及比較器106的偏壓電路121、偏壓電路131、偏壓電路141以及偏壓電路151供應電力,也不會造成各電路的性能降低。明確而言,當處於第二模式時,在電位保持部分123A至123C、電位保持部分133A至133D、電位保持部分143A至143D以及電位保持部分153A至153D中,能夠在連接有開關以及電容器的節點中保持在偏壓電路121、偏壓電路131、偏壓電路141以及偏壓電路151中得到的恆電位。由此,在利用該恆電位進行工作的放大電路122、電壓放大電路132、比較電路142以及時脈產生部分152中,即便停止給偏壓電路供應電力所輸出的信號也不發生變化。因此,在第二模式下DCDC轉換器10也能夠工作而無需降低性能。
再者,當處於第二模式時,採用控制為停止給能帶間隙基準電路101、參考電壓產生電路102以及基準偏壓產生電路103供應電力的結構是有效的。藉由採用該結構,間歇地消除處於第二模式時流過能帶間隙基準電路101、參考電壓產生電路102以及基準偏壓產生電路103的電流,從而能夠減少該部分的耗電量。
藉由上述本發明的一個實施例,能夠提供一種具有低功耗的優勢且即便停止給DCDC轉換器所具有的一部分電路供應電力也能夠工作而無需降低性能的DCDC轉換器。
本實施例可以與其他實施例適當地組合而實施。
在本實施例中,說明實施例1所說明的電壓轉換電路200的具體例子。另外,下面參照圖9A至圖10B進行說明。
圖9A是示出在圖1A所說明的DCDC轉換器10的結構中使用非絕緣型升壓扼流圈方式的電壓轉換電路200A的結構的例子的方塊圖。
圖9A所示的電壓轉換電路200A包括用作開關的電晶體211、線圈212、二極體213、電容器214以及串聯連接的電阻器215。
電晶體211控制位於線圈212與二極體213之間的節點與固定電位(例如接地電位)之間的電連接。明確而言,在電晶體211中,源極和汲極中的一方連接於線圈212與二極體213之間的節點,源極和汲極中的另一方連接於固定電位。
在線圈212中,一方的端子被供應輸入電壓Vin,另一方的端子連接於二極體213的一方的電極。
二極體213的另一方的電極連接於供應輸出電壓Vout的端子。
在電容器214中,一方的電極連接於供應輸出電壓Vout的端子,另一方的電極連接於固定電位。
電阻器215以在被供應輸出電壓Vout的端子與被供應固定電位的端子之間產生電阻分壓的方式設置。藉由電阻分壓得到的電壓作為回饋信號供應到控制電路100。
在圖9A所示的電壓轉換電路200A中,藉由使電晶體211處於開啟狀態的期間比處於關閉狀態的期間長,可以增大流過線圈212的電流量,並以輸出電壓Vout與輸入電壓Vin之差變大的方式升壓。與此相反,藉由使電晶體211處於關閉狀態的期間比處於開啟狀態的期間長,可以減小流過線圈212的電流量,並以輸出電壓Vout與輸入電壓Vin之差變小的方式升壓。
圖9B是示出在圖1A所說明的DCDC轉換器10的結構中使用非絕緣型降壓扼流圈方式的電壓轉換電路200B的結構的例子的方塊圖。
圖9B所示的電壓轉換電路200B包括用作開關的電晶體221、二極體222,線圈223、電容器224以及串聯連接的電阻器225。
電晶體221控制被供應輸入電壓Vin的節點與二極體222和線圈223間的節點之間的電連接。明確而言,在電晶體221中,源極和汲極中的一方連接於被供應
輸入電壓Vin的節點,源極和汲極中的另一方連接於二極體222與線圈223間的節點。
二極體222的一方的電極連接於二極體222與線圈223間的節點,另一方的電極連接於固定電位。
在線圈223中,一方的端子連接於二極體222與線圈223間的節點,另一方的端子連接於供應輸出電壓Vout的端子。
在電容器224中,一方的電極連接於供應輸出電壓Vout的端子,另一方的電極連接於固定電位。
電阻器225以在被供應輸出電壓Vout的端子與被供應固定電位的端子之間產生電阻分壓的方式設置。藉由電阻分壓得到的電壓作為回饋信號供應到控制電路100。
在圖9B所示的電壓轉換電路200B中,藉由使電晶體221處於開啟狀態的期間比處於關閉狀態的期間長,可以以使保持在電容器224的電壓接近輸入電壓Vin的方式降壓。與此相反,藉由使電晶體221處於關閉狀態的期間比處於開啟狀態的期間長,可以降低保持在電容器224的電壓而降壓。
圖10A是示出在圖1A所說明的DCDC轉換器10的結構中使用絕緣型順向方式的電壓轉換電路200C的結構的例子的方塊圖。
圖10A所示的電壓轉換電路200C包括用作開關的電晶體231、變壓器(trans)232、二極體233、二極
體234、線圈235以及電容器236。
電晶體231控制構成變壓器232的一次線圈與連接於固定電位的端子之間的電連接。明確而言,在電晶體231中,源極和汲極中的一方連接於構成變壓器232的一次線圈,源極和汲極中的另一方連接於固定電位。
變壓器232由一次線圈以及二次線圈構成。構成變壓器232的二次線圈連接於二極體233的一方的電極。
二極體233的另一方的電極連接於二極體234與線圈235間的節點。
二極體234的一方的電極連接於二極體233與線圈235間的節點。二極體234的另一方的電極連接於連接到固定電位的端子。
線圈235的一方的端子連接於二極體233與二極體234間的節點。線圈235的另一方的端子連接於供應輸出電壓Vout的端子。
電容器236的一方的電極連接於供應輸出電壓Vout的端子。電容器236的另一方的電極連接於連接到固定電位的端子。輸出電壓Vout作為回饋信號供應到控制電路100。
在圖10A所示的電壓轉換電路200C中,藉由交替切換電晶體231的開啟或關閉,控制流過一次線圈的電流來使變壓器232勵磁。並且,可以控制二次線圈一側的輸出電壓Vout的降壓。
圖10B是示出在圖1A所說明的DCDC轉換器10的結構中使用絕緣型返馳方式的電壓轉換電路200D的結構的例子的方塊圖。
圖10B所示的電壓轉換電路200D包括用作開關的電晶體241、變壓器242、二極體243以及電容器244。
電晶體241控制構成變壓器242的一次線圈與連接於固定電位的端子之間的電連接。明確而言,在電晶體241中,源極和汲極中的一方連接於構成變壓器242的一次線圈,源極和汲極中的另一方連接於固定電位。
變壓器242由一次線圈以及二次線圈構成。構成變壓器242的二次線圈連接於二極體243的一方的電極。
二極體243的另一方的電極連接於供應輸出電壓Vout的端子。
電容器244的一方的電極連接於供應輸出電壓Vout的端子。電容器244的另一方的電極連接於連接到固定電位的端子。輸出電壓Vout作為回饋信號供應到控制電路100。
在圖10B所示的電壓轉換電路200D中,藉由交替切換電晶體241的開啟或關閉,將流過一次線圈的電流轉換為二次線圈一側的自感應電壓。並且,可以控制二次線圈一側的輸出電壓Vout的升壓。
注意,關於上述電晶體211、電晶體221、電
晶體231以及電晶體241,雖然上面示出僅設置一個的結構,但也可以設置多個。另外,雖然示出n通道型電晶體,但也可以採用p通道型電晶體。或者,也可以為使用具有矽以外的半導體諸如氧化物半導體、化合物半導體的電晶體。或者,也可以採用如下結構:設置多個閘極電極,例如設置背閘極電極,根據輸出電力的量調整電晶體的關態電流或開啟電阻來提高電力轉換效率。
注意,在圖9A至圖10B所說明的電壓轉換電路200A至電壓轉換電路200D中,雖然說明了採用非絕緣型升壓扼流圈方式、非絕緣型降壓扼流圈方式、絕緣型順向方式或絕緣型返馳方式的電壓轉換電路,但也可以採用半橋方式或全橋方式的電壓轉換電路。
本實施例所說明的DCDC轉換器具有上述實施例1所說明的控制電路的結構。因此,能夠提供一種具有低功耗的優勢且即便停止給DCDC轉換器所具有的一部分電路供應電力也能夠工作而無需降低性能的DCDC轉換器。
本實施例所示的結構可以與其他實施例所示的結構適當地組合而使用。
在本實施例中,說明可用於上述實施例所說明的關態電流低的電晶體的用作通道形成區的半導體層的氧化物半導體層。
作為用於電晶體的用作通道形成區的半導體層的氧化物半導體,較佳為至少包含銦(In)或鋅(Zn)。尤其較佳為包含In及Zn。此外,除了上述元素以外,較佳為還包含使氧堅固地結合的穩定劑(stabilizer)。作為穩定劑,包含鎵(Ga)、錫(Sn)、鋯(Zr)、鉿(Hf)和鋁(Al)中的至少一種即可。
另外,作為其他穩定劑,也可以包含鑭系元素的鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、鎦(Lu)中的一種或多種。
作為用於電晶體的用作通道形成區的半導體層的氧化物半導體,例如可以舉出氧化銦、氧化錫、氧化鋅、In-Zn類氧化物、Sn-Zn類氧化物、Al-Zn類氧化物、Zn-Mg類氧化物、Sn-Mg類氧化物、In-Mg類氧化物、In-Ga類氧化物、In-Ga-Zn類氧化物(也記為IGZO)、In-Al-Zn類氧化物、In-Sn-Zn類氧化物、Sn-Ga-Zn類氧化物、Al-Ga-Zn類氧化物、Sn-Al-Zn類氧化物、In-Hf-Zn類氧化物、In-Zr-Zn類氧化物、In-Ti-Zn類氧化物、In-Sc-Zn類氧化物、In-Y-Zn類氧化物、In-La-Zn類氧化物、In-Ce-Zn類氧化物、In-Pr-Zn類氧化物、In-Nd-Zn類氧化物、In-Sm-Zn類氧化物、In-Eu-Zn類氧化物、In-Gd-Zn類氧化物、In-Tb-Zn類氧化物、In-Dy-Zn類氧化物、In-Ho-Zn類氧化物、In-Er-Zn類氧化物、In-Tm-Zn類氧
化物、In-Yb-Zn類氧化物、In-Lu-Zn類氧化物、In-Sn-Ga-Zn類氧化物、In-Hf-Ga-Zn類氧化物、In-Al-Ga-Zn類氧化物、In-Sn-Al-Zn類氧化物、In-Sn-Hf-Zn類氧化物、In-Hf-Al-Zn類氧化物等。
例如,較佳為使用其原子數比為In:Ga:Zn=1:1:1、In:Ga:Zn=3:1:2或In:Ga:Zn=2:1:3的In-Ga-Zn類氧化物或接近於該組成的氧化物。
當構成用作通道形成區的半導體層的氧化物半導體膜包含大量的氫時,由於氫與氧化物半導體鍵合而氫的一部分成為施體,導致產生作為載子的電子。由此,電晶體的臨界電壓向負方向漂移。因此,在形成氧化物半導體膜之後較佳為進行脫水化處理(脫氫化處理),從氧化物半導體膜去除氫或水分將氧化物半導體膜高度純化以使其儘量不包含雜質。
此外,有時因對氧化物半導體膜進行脫水化處理(脫氫化處理)而使氧化物半導體膜的氧減少。因此,為了填補因脫水化處理(脫氫化處理)而增加的氧缺陷,較佳為對氧化物半導體膜進行添加氧的處理。在本說明書等中,有時將對氧化物半導體膜供應氧的處理稱為加氧化處理,或者,有時將使氧化物半導體膜所包含的氧多於化學計量組成的處理稱為過氧化處理。
如此,藉由進行脫水化處理(脫氫化處理)以從氧化物半導體膜去除氫或水分,並進行加氧化處理以填補氧缺陷,可以得到i型(本質)或無限趨近於i型的
實質上呈i型(本質)的氧化物半導體膜。此外,實質上呈本質是指氧化物半導體膜中的來源於施體的載子極少(近於零),載子密度為1×1017/cm3以下、1×1016/cm3以下、1×1015/cm3以下、1×1014/cm3以下、1×1013/cm3以下。
此外,如此,具備i型或實質上呈i型的氧化物半導體膜的電晶體可以實現極為優良的關態電流特性。例如,使用氧化物半導體膜的電晶體處於關閉狀態時的汲極電流在室溫(25℃左右)下可以為1×10-18A以下,較佳為1×10-21A以下,更佳為1×10-24A以下,或者,在85℃下為1×10-15A以下,較佳為1×10-18A以下,更佳為1×10-21A以下。此外,“電晶體處於關閉狀態”是指當電晶體為n通道電晶體時,閘極電壓充分低於臨界電壓的狀態。明確而言,只要閘極電壓比臨界電壓低1V以上、2V以上或3V以上,電晶體就會成為關閉狀態。
形成的氧化物半導體可以處於非單晶狀態。非單晶例如包括CAAC(C Axis Aligned Crystal:c軸配向結晶)、多晶、微晶、或非晶部。
氧化物半導體也可以具有CAAC。注意,將具有CAAC的氧化物半導體稱為CAAC-OS(C-Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor:c軸配向結晶氧化物半導體)。
有時可以在例如使用穿透式電子顯微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)觀察CAAC-
OS時確認到結晶部。在大多情況下,在TEM的觀察影像中,包含在CAAC-OS中的結晶部的尺寸為能夠容納在一個邊長為100nm的立方體內的尺寸。此外,在使用TEM觀察CAAC-OS時,有時無法明確地確認到結晶部與結晶部之間的邊界。此外,在使用TEM觀察CAAC-OS時,有時無法明確地確認到晶界(grain boundary)。CAAC-OS不具有明確的晶界,所以不容易產生雜質的偏析。另外,CAAC-OS不具有明確的晶界,所以缺陷態密度很少變高。另外,CAAC-OS不具有明確的晶界,所以電子移動率的下降較小。
CAAC-OS例如具有多個結晶部,有時在該多個結晶部中c軸在平行於形成有CAAC-OS的表面的法線向量或CAAC-OS的表面的法線向量的方向上一致。此外,例如當使用X射線繞射(XRD:X-Ray Diffraction)裝置並利用Out-of-plane法來分析CAAC-OS時,有時在表示配向的2θ為31°附近觀察到峰值。另外,例如,有時在CAAC-OS的電子繞射影像中,觀察到斑點(亮點)。注意,尤其將使用電子束徑為10nmΦ以下或5nmΦ以下的電子線而得到的電子繞射影像稱為奈米束電子繞射影像。另外,在CAAC-OS中,例如,有時a軸及b軸在不同的結晶部間方向不同。在CAAC-OS中,例如,有時c軸配向且a軸或/及b軸在宏觀上不一致。
在包括在CAAC-OS中的結晶部中,例如,c軸在平行於形成有CAAC-OS的表面的法線向量或CAAC-
OS的表面的法線向量的方向上一致。並且,當從垂直於ab面的方向看時金屬原子排列為三角形或六角形,且當從垂直於c軸的方向看時,金屬原子排列為層狀或者金屬原子和氧原子排列為層狀。另外,在不同結晶部之間a軸和b軸的方向可以不同。在本說明書中,“垂直”的用語包括80°到100°的範圍,較佳為包括85°到95°的範圍。並且,“平行”的用語包括-10°到10°的範圍,較佳為包括-5°到5°的範圍。
另外,CAAC-OS例如可以藉由降低缺陷態密度形成。在氧化物半導體中,例如,氧缺陷是缺陷能階。氧缺陷有時成為陷阱能階或因俘獲氫而成為載子發生源。為了形成CAAC-OS,例如,重要的是不在氧化物半導體中產生氧缺陷。因此,CAAC-OS是缺陷態密度低的氧化物半導體。或者,CAAC-OS是氧缺陷少的氧化物半導體。
將雜質濃度低且缺陷態密度低(氧缺陷的個數少)的狀態稱為“高純度本質”或“實質上高純度本質”。高純度本質或實質上高純度本質的氧化物半導體具有較少的載子發生源,所以有時可以降低其載子密度。因此,有時將該氧化物半導體用於通道形成區的電晶體很少具有負臨界電壓(也稱為常開啟特性)。此外,高純度本質或實質上高純度本質的氧化物半導體具有較低的缺陷態密度,所以有時其陷阱態密度也變低。因此,有時將該氧化物半導體用於通道形成區的電晶體的電特性變動小,並且成為
可靠性高的電晶體。此外,被氧化物半導體的陷阱能階俘獲的電荷直到被釋放為止需要較長的時間,有時像固定電荷那樣動作。因此,有時將陷阱態密度高的氧化物半導體用於通道形成區的電晶體的電特性不穩定。
另外,在使用高純度本質或實質上高純度本質的CAAC-OS的電晶體中,起因於可見光或紫外光的照射的電特性的變動小。
氧化物半導體例如可以處於多晶狀態。注意,將包括多晶的氧化物半導體稱為多晶氧化物半導體。多晶氧化物半導體包括多個晶粒。
氧化物半導體例如可以處於微晶狀態。注意,將包括微晶的氧化物半導體稱為微晶氧化物半導體。
例如在使用TEM觀察的微晶氧化物半導體的影像中,有時無法明確地確認到結晶部。微晶氧化物半導體中含有的結晶部的尺寸在大多數情況下例如為1nm以上且100nm以下,或1nm以上且10nm以下。尤其是,例如將1nm以上且10nm以下的微晶稱為奈米晶(nc:nanocrystal)。將具有奈米晶的氧化物半導體稱為nc-OS(nanocrystalline Oxide Semiconductor)。此外,例如在使用TEM觀察的nc-OS的影像中,有時無法明確地確認到結晶部與結晶部之間的邊界。此外,例如在使用TEM觀察的nc-OS的影像中,由於不具有明確的晶界,所以很少產生雜質的偏析。另外,nc-OS例如不具有明確的晶界,所以缺陷態密度很少變高。另外,nc-OS例如不
具有明確的晶界,所以電子移動率的下降較小。
nc-OS例如在微小區域(例如1nm以上且10nm以下的區域)中有時其原子排列具有週期性。此外,nc-OS例如在結晶部與結晶部之間沒有規律性,所以有時在宏觀上觀察不到原子排列的週期性,或者有時觀察不到長程有序。因此,例如,根據分析方法,有時無法辨別nc-OS與非晶氧化物半導體。例如當使用XRD裝置並利用電子束徑比結晶部大的X射線的Out-of-plane法來分析nc-OS時,有時檢測不到表示配向的峰值。此外,nc-OS例如在使用電子束徑比結晶部大(例如20nmΦ以上或50nmΦ以上)的電子線而得到的電子繞射影像中,有時可以觀察到光暈圖案。此外,nc-OS例如在使用其電子束徑與結晶部大小相同或比結晶部小(例如10nmΦ以下或5nmΦ以下)的電子線而得到的奈米束電子繞射影像中,有時可以觀察到斑點。此外,在nc-OS的奈米束電子繞射影像中,例如,有時觀察到如圓圈那樣的亮度高的區域。此外,在nc-OS的奈米束電子繞射影像中,例如,有時在該區域內觀察到多個斑點。
由於有時nc-OS在微小區域中原子排列具有週期性,因此其缺陷態密度比非晶氧化物半導體低。注意,由於nc-OS的結晶部與結晶部之間沒有規律性,因此與CAAC-OS相比,nc-OS的缺陷態密度變高。
另外,氧化物半導體也可以是包括CAAC-OS、多晶氧化物半導體、微晶氧化物半導體和非晶氧化
物半導體中的兩種以上的混合膜。混合膜例如有時包括非晶氧化物半導體的區域、微晶氧化物半導體的區域、多晶氧化物半導體的區域和CAAC-OS的區域中的兩種以上的區域。此外,混合膜例如有時具有非晶氧化物半導體的區域、微晶氧化物半導體的區域、多晶氧化物半導體的區域和CAAC-OS的區域中的兩種以上的區域的疊層結構。
本實施例可以與其他實施例適當地組合而實施。
在本實施例中,參照圖式說明所揭示的發明的一個實施例的DCDC轉換器所具有的電晶體的剖面結構。
注意,作為DCDC轉換器所具有的電晶體,除了構成電位保持部分的OS電晶體之外,還可以舉出構成控制電路100的其他電晶體的將矽(Si)用於用作通道形成區的半導體層的電晶體(以下稱為“Si電晶體”)。
在本實施例中,參照圖式尤其對層疊構成電位保持部分的OS電晶體及電容器與Si電晶體時的剖面結構的一個例子進行說明。在圖11中,Si電晶體、OS電晶體及電容器分別相當於電晶體SiTr、電晶體OSTr及電容器Cp。
在本實施例中,電晶體SiTr形成在單晶矽基板上,並且將氧化物半導體用於半導體層的電晶體OSTr形成在電晶體SiTr上。電晶體SiTr也可以將非晶、微
晶、多晶或單晶的矽或鍺等薄膜的半導體用於半導體層。
當使用薄膜矽形成電晶體SiTr時,可以使用:藉由電漿CVD法等氣相生長法或濺射法形成的非晶矽;利用雷射退火法等處理使非晶矽結晶化的多晶矽;以及對單晶矽晶片注入氫離子等而使其表層部剝離的單晶矽等。
另外,在上述實施例1中說明的DCDC轉換器10的控制電路100所包括的電晶體中,OS電晶體的個數比Si電晶體的個數少。因此,藉由在電晶體SiTr上層疊電晶體OSTr,可以緩和電晶體OSTr的設計規則。
如此,藉由採用層疊Si電晶體和OS電晶體的結構,可以減少DCDC轉換器10的控制電路100的晶片面積。此外,在一個電路框中,Si電晶體的個數比OS半導體的電晶體的個數多,因此實際的晶片面積取決於Si電晶體的個數。
在圖11中,在半導體基板800中形成有n通道型電晶體SiTr。
作為半導體基板800,例如可以使用具有n型或p型導電型的矽基板、鍺基板、矽鍺基板、化合物半導體基板(GaAs基板、InP基板、GaN基板、SiC基板、GaP基板、GaInAsP基板、ZnSe基板等)等。
另外,電晶體SiTr與其他電晶體由元件分離絕緣膜801電分離。作為元件分離絕緣膜801的形成方法,可以使用矽的局部氧化(LOCOS:Local Oxidation of
Silicon)法或溝槽分離法等。
明確而言,電晶體SiTr包括:形成在半導體基板800中且用作源極區或汲極區的雜質區802及雜質區803;閘極電極804;以及設置於半導體基板800與閘極電極804之間的閘極絕緣膜805。閘極電極804隔著閘極絕緣膜805重疊於形成在雜質區802與雜質區803之間的通道形成區。
在電晶體SiTr上形成有絕緣膜809。在絕緣膜809中形成有開口部。並且,在該開口部中形成有分別接觸於雜質區802、雜質區803的佈線810、佈線811以及接觸於閘極電極804的佈線812。
並且,佈線810連接於形成在絕緣膜809上的佈線815,佈線811連接於形成在絕緣膜809上的佈線816,佈線812連接於形成在絕緣膜809上的佈線817。
在佈線815至佈線817上形成有絕緣膜820。在絕緣膜820中形成有開口部,在該開口部中形成有連接到佈線817的佈線821。
並且,在圖11中,在絕緣膜820上形成有電晶體OSTr及電容器Cp。
電晶體OSTr在絕緣膜820上包括:包含氧化物半導體的半導體膜830;半導體膜830上的用作源極電極或汲極電極的導電膜832及導電膜833;半導體膜830、導電膜832及導電膜833上的閘極絕緣膜831;以及位於閘極絕緣膜831上並在導電膜832與導電膜833之
間重疊於半導體膜830的閘極電極834。另外,導電膜833連接於佈線821。
另外,在閘極絕緣膜831上且重疊於導電膜833的位置設置有導電膜835。將導電膜833與導電膜835隔著閘極絕緣膜831相互重疊的部分用作電容器Cp。
另外,在圖11中例示出電容器Cp與電晶體OSTr都設置於絕緣膜820上的情況,但也可以將電容器Cp與電晶體SiTr都設置於絕緣膜820下。
並且,在電晶體OSTr及電容器Cp上設置有絕緣膜841。在絕緣膜841中設置有開口部,在該開口部中將接觸到閘極電極834的導電膜843設置於絕緣膜841上。
另外,在圖11中,電晶體OSTr在半導體膜830的至少一側具有閘極電極834即可,但是也可以具有夾著半導體膜830存在的一對閘極電極。
在電晶體OSTr具有夾著半導體膜830存在的一對閘極電極的情況下,可以對一個閘極電極供應用來控制開啟或關閉的信號,並對另一個閘極電極被施加外部電位。在後者的情況下,可以對一對閘極電極施加相同位準的電位,也可以只對另一個閘極電極施加接地電位等固定電位。藉由控制對另一個閘極電極施加的電位的位準,可以控制電晶體OSTr的臨界電壓。
另外,半導體膜830不一定由單層的氧化物半導體構成,也可以由層疊的多個氧化物半導體構成。
本實施例可以與其他實施例適當地組合而實施。
在本實施例中,說明具備上述實施例所說明的DCDC轉換器的電子裝置的例子。作為電子裝置的一個例子,可以舉出電腦、可攜式資訊終端(也包括行動電話、可攜式遊戲機以及音頻再生裝置等)、電子紙、電視機(也稱為電視或電視接收機)以及數位攝影機等。
圖12A示出可攜式資訊終端,其包括外殼901、外殼902、第一顯示部903a和第二顯示部903b等。在外殼901和外殼902中的至少一個中設置有包括上述實施例所示的DCDC轉換器。因此,可以實現一種具有低功耗的優勢且即便停止給DCDC轉換器所具有的一部分電路供應電力也能夠工作而無需降低性能的可攜式資訊終端。
另外,第一顯示部903a為具有觸摸輸入功能的面板,例如如圖12A的左圖所示,可以由顯示在第一顯示部903a的選擇按鈕904選擇是進行“觸摸輸入”還是進行“鍵盤輸入”。由於可以以各種各樣的尺寸顯示選擇按鈕,所以各個年齡層的人都容易使用。在此,例如在選擇“鍵盤輸入”的情況下,如圖12A的右圖所示,在第一顯示部903a中顯示鍵盤905。由此,可以與習知的資訊終端同樣地利用鍵盤迅速地進行文字輸入。
另外,在圖12A所示的可攜式資訊終端中,如圖12A的右圖所示那樣,可以將第一顯示部903a及第二顯示部903b中的一個拆下來。藉由使第二顯示部903b也採用具有觸摸輸入功能的面板,可以減輕攜帶時的重量,並可以用一隻手拿著外殼902而用另一隻手進行操作,所以很方便。
圖12A中的可攜式資訊終端可具有顯示各種資訊(例如靜止影像、動態影像和文字影像等)的功能,在顯示部上顯示日曆、日期、時間等的功能,操作或編輯顯示在顯示部上的資訊的功能,控制各種軟體(程式)的處理的功能等。另外,也可以在外殼的背面或側面具備外部連接端子(耳機端子、USB端子等)、儲存媒體插入部等。
另外,圖12A所示的可攜式資訊終端可以採用以無線方式發送且接收資訊的結構。還可以以無線方式從電子書伺服器購買且下載所希望的書籍資料等。
再者,也可以使圖12A所示的外殼902具有天線、麥克風功能及無線通訊功能,來將其用作行動電話。
圖12B示出安裝有電子紙的電子書閱讀器,該電子書閱讀器由外殼911及外殼912的兩個外殼構成。在外殼911及外殼912中分別設置有顯示部913及顯示部914。外殼911及外殼912由軸部915連接,並且可以以該軸部915為軸進行開閉動作。此外,外殼911包括電源
916、操作鍵917以及揚聲器918等。在外殼911和外殼912中的至少一個中設置有包括上述實施例所示的DCDC轉換器。因此,可以實現一種具有低功耗的優勢且即便停止給DCDC轉換器所具有的一部分電路供應電力也能夠工作而無需降低性能的電子書閱讀器。
圖12C示出電視機,其包括外殼921、顯示部922和支架923等。可以藉由利用外殼921所具有的開關和遙控操作器924進行電視機的操作。在外殼921和遙控操作器924中安裝有包括上述實施例所示的DCDC轉換器。因此,可以實現一種具有低功耗的優勢且即便停止給DCDC轉換器所具有的一部分電路供應電力也能夠工作而無需降低性能的電視機。
圖12D示出智慧手機,在其主體930中包括顯示部931、揚聲器932、麥克風933和操作按鈕934等。在主體930中設置有包括上述實施例所示的DCDC轉換器。因此,可以實現一種具有低功耗的優勢且即便停止給DCDC轉換器所具有的一部分電路供應電力也能夠工作而無需降低性能的智慧手機。
圖12E示出手錶型顯示裝置,其包括主體941及顯示部942等。在主體941中設置有包括上述實施例所示的DCDC轉換器。因此,可以實現一種具有低功耗的優勢且即便停止給DCDC轉換器所具有的一部分電路供應電力也能夠工作而無需降低性能的手錶型顯示裝置。
如上所述,在本實施例所示的電子裝置中安
裝有包括上述實施例所示的DCDC轉換器。因此,可以實現一種具有低功耗的優勢且即便停止給DCDC轉換器所具有的一部分電路供應電力也能夠工作而無需降低性能的電子裝置。
Claims (10)
- 一種直流對直流(DCDC)轉換器,包括:組態以輸出三角波的時脈產生電路;組態以輸出誤差信號的誤差放大器;組態以根據該三角波及該誤差信號輸出控制信號的比較器;以及組態以輸出切換信號的計時器,其中,該時脈產生電路、該誤差放大器以及該比較器都包括:組態以輸出偏壓電壓的偏壓電路;電容器;以及電晶體,該電晶體的源極和汲極中的一者電連接到該偏壓電路,且該電晶體的該源極和該汲極中的另一者電連接到該電容器,並且其中,該時脈產生電路、該誤差放大器以及該比較器的每一者中,該電容器組態以根據供應到該電晶體的閘極的該切換信號間歇地保持該偏壓電壓。
- 一種直流對直流(DCDC)轉換器,包括:組態以輸出三角波的時脈產生電路;組態以輸出誤差信號的誤差放大器;組態以根據該三角波及該誤差信號輸出控制信號的比較器;以及組態以輸出切換信號的計時器,其中,該時脈產生電路、該誤差放大器以及該比較器都包括:組態以輸出偏壓電壓的偏壓電路;電容器;以及電晶體,該電晶體的源極和汲極中的一者電連接到該偏壓電路,且該電晶體的該源極和該汲極中的另一者電連接到該電容器,其中,該時脈產生電路、該誤差放大器以及該比較器的每一者中,該電容器組態以根據供應到該電晶體的閘極的該切換信號間歇地保持該偏壓電壓,並且其中,該時脈產生電路、該誤差放大器以及該比較器的每一者的該電晶體的通道形成區包含氧化物半導體層。
- 根據申請專利範圍第1或2項之DCDC轉換器,其中,該時脈產生電路、該誤差放大器以及該比較器的每一者中,根據供應到電源開關的該切換信號,停止該偏壓電路供應電力。
- 根據申請專利範圍第1或2項之DCDC轉換器,其中,該時脈產生電路的該電晶體的該源極和該汲極的該另一者電連接到時脈產生部,其中,該誤差放大器的該電晶體的該源極和該汲極的該另一者電連接到放大器電路,並且其中,該比較器的該電晶體的該源極和該汲極的該另一者電連接到比較電路。
- 根據申請專利範圍第1或2項之DCDC轉換器,其中,該時脈產生電路、該誤差放大器以及該比較器的每一者中,在該電容器保持該偏壓電壓時,停止給該偏壓電路供應電力。
- 根據申請專利範圍第1或2項之DCDC轉換器,其中,該時脈產生電路組態以輸出時脈信號,並且其中,該計時器組態以根據該時脈信號定期地輸出該切換信號。
- 根據申請專利範圍第1或2項之DCDC轉換器,還包括:組態以輸出第一參考電壓的能帶間隙基準電路;組態以根據該第一參考電壓輸出第二參考電壓的參考電壓產生電路;以及組態以根據該第一參考電壓輸出偏壓電流的基準偏壓產生電路,其中,根據該切換信號,停止給該能帶間隙基準電路、該參考電壓產生電路以及該基準偏壓產生電路供應輸入電壓。
- 根據申請專利範圍第1或2項之DCDC轉換器,還包括組態以根據該控制信號輸出輸出電壓的電壓轉換電路。
- 根據申請專利範圍第1或2項之DCDC轉換器,還包括組態以根據該控制信號輸出輸出電壓的電壓轉換電路,其中,該電壓轉換電路包括線圈、二極體、電阻器和變壓器中的至少一個。
- 根據申請專利範圍第1或2項之DCDC轉換器,其中,室溫下的該電晶體的每微米通道寬度的關態電流為10zA/μm以下。
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