半导体装置及显示装置的制作方法

专利名称：半导体装置及显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体装置及显示装置。
背景技术：
作为显示装置，通常使用具有电光学装置的液晶显示装置。将液晶显示装置装配于电子设备，能同时实现电子设备的小型化和降低损耗电流。
可是，液晶显示装置的驱动需要高电压。因此，在驱动电光学装置的驱动IC(Integrated Circuit)(广义为半导体装置)内置生成高电压的电源电路，符合降低成本的观点。此时，电源电路具有升压电路。升压电路将高电位一侧的系统电源电压VDD和低电位一侧的接地电源电压VSS之间的电压升压，生成液晶驱动用的输出电压Vout。
作为这种升压电路，采用以所谓的电荷泵方式生成升压电压的电荷泵电路，能降低功耗。电荷泵电路具有电容器。在将液晶面板和驱动IC模块化了的液晶面板模块中，通过将电荷泵电路电容器内置于IC内，可以实现安装工程的简化和整体成本的降低。例如，在5倍升压的普通电荷泵电路中需要5个电容器，所以，根据上述观点，将这些电容器内置于IC内中具有很大的优点。
但是，除了更进一步实现低功耗化及小型化外，市场强烈需求可更高清晰显示的显示装置，特别是液晶显示装置。因此，在驱动液晶显示装置的驱动器中，需要以更小的能率比(duty ratio)驱动的同时，也需要更高的驱动用电压。例如，在能率比为1/65的驱动器中，作为输出电压Vout需要9伏左右的驱动用电压。
例如，作为系统电源电压VDD和接地电源电压VSS之间的电压，考虑升压最小2.4伏电压的情况，在5倍升压时，理想值是能够获得12伏电压，但如果考虑升压效率，那么，例如以80％的升压效率可以得到9.6伏。因此，对于能率比1/65的驱动器来说可以供给所需要的电源。
另外，根据不同用户，有时要求保证系统电源电压VDD和接地电源电压VSS之间的电压1.8伏工作。此时，系统电源电压VDD和接地电源电压VSS之间的电压为2.4伏和1.8伏两种时，需要实现能率比1/65的驱动器。所以不得不做6倍升压。因为即使将1.8伏做5倍升压，也难以使升压效率达到100％。
内置6倍升压的电源电路的驱动器，如果内置6倍升压所需要的所有电容器，则与内置5倍升压的电源电路的驱动器比较，内置的电容器数增加，面积增大。导致成本提高。因此，即使可以满足采用升压6倍1.8伏电压的用户的需求，也不能满足采用升压2.4伏5倍电压的用户的需求。
如上所述，在内置电源电路的驱动器中，希望生成即能抑制成本，又能满足尽可能多的用户要求的升压电压。
另外，电荷泵电路的电容器内置于驱动器IC内时，为了得到和外置时相同的容量，使内置的电容器的面积变大成本增高。另一方面，如果缩小内置的电容器面积，则消耗电流增多。这样，内置的电容器面积和消耗电流有平衡(trade-off)的关系。
因此，为了既缩小电容器的面积又降低成本，要求采用小容量的电容器而具有和以往相同的能力(电荷供给能力，负载驱动能力)的电荷泵式的升压电路。换言之，就是寻求一种电容器面积相同(成本相同)，并具有和以往的容量内置升压电路相同的能力，同时又能进一步降低消耗电流的电荷泵式升压电路。
另外，IC外置的每1个电容器的容量是0.1～1μF，IC中内置的每1个电容器的容量是1nF左右。因此，为了得到和没有内置以往的电容的升压电路相同的能力，需要提高电荷泵电路中开关元件的切换频率，从而导致因电容器的充放电电流的增加引起的消耗电流的增大。因此，希望提供降低电容器充放电电流的电荷泵电路。

发明内容
鉴于以上的技术问题，本发明的第一目的在于提供一种能够抑制成本，生成尽可能满足众多用户要求的升压电压的半导体装置，及装配此半导体装置的显示装置。
另外本发明的第二目的在于提供不降低负栽驱动能力，且低功耗生成升压电压的半导体装置，及装配此半导体装置的显示装置。
为了解决以上课题，本发明涉及的半导体装置，系将第一及第二电源线间的电压M×N(M＞N，M、N为正的整数)倍升压后，生成输出电压的半导体装置，包括第一电路，其在所述第一及第二的电源线和升压电源线之间连接，通过电荷泵动作，在所述第一电源线和升压电源线之间输出将所述第一及第二电源线之间的电压升压到M倍的电压；第二电路，与所述第一电源线、所述升压电源线及输出电源线连接，包括多个开关元件；第一端子，被所述第一电源线电连接，第二端子，与所述多个开关元件中的至少一个开关元件形成电连接；其中，所述第二电路通过电荷泵工作，在所述第一电源线和所述输出电源线之间输出将所述第一电源线及所述升压电源线之间的电压升压到N倍后的电压，所述电荷泵使用了在半导体装置的外部连接在所述第一及第二端子间的电容器和由所述第二端子连接的所述开关元件。
根据本发明，因为只内置M倍升压所需要的电容器，与将M×N倍升压所需要的所有电容器内置于半导体装置的情况相比，可以将进行M×N倍升压的电路面积的增大抑制到最小限度。并且能够以同一容积实现用户所要求，例如1.8伏及3伏等多样电压V的升压。因此，可以提供同时满足不同用户需求的半导体装置，例如使用将1.8伏升压6倍的电压的用户需求，以及使用将2.4伏升压5倍电压的用户的需求。
另外，还可以只在半导体装置上外置N倍升压的电容器，与在半导体装置上外置M×N倍升压需要的所有电容器的情况相比，可以削减实际安装步骤及实际安装面积。
因此可以提供一种能够抑制成本，生成尽可能满足多的用户要求的升压电压的半导体装置。
另外在本发明涉及的半导体装置中，N也可以是2。
根据本发明，可以将第二电路中外置的电容器数目设定为最小数，使实际安装步骤及实际安装面积进一步削减。
另外，在本发明涉及的半导体装置中还包括第三～第五端子；所述第二电路中包括在所述第一电源线和所述升压电源线之间串联连接的第一及第二输出用开关元件；以及在所述升压电源线和所述输出电源线之间串联连接的第三及第四输出用开关元件；所述第二端子连接在所述输出电源线上，所述第三端子与连接有所述第一及第二输出用开关元件的连接节点形成电连接；所述第四元件与连接有所述第二及第三输出用开关元件的连接节点形成电连接；所述第五端子与连接有所述第三及第四输出用开关元件的连接节点形成电连接也可以。
根据本发明，因为能够进一步减少构成第二电路的开关元件的数目，所以可以进一步削减实际安装步骤及实际安装面积。
另外，本发明涉及的半导体装置中，还包括第3～第(M+1)(M是大于等于3的整数)的电源线，所述第一电路包括第1～第(M-1)的升压用电容器，其第j(1≤j≤M-1，j为整数)升压用电容器在第一期间中被连接在第j电源线和第(j+1)的电源线之间的同时，在所述第一期间经过后的第二期间中被连接在第(j+1)电源线和第(j+2)的电源线之间；以及第1～第(M-2)的稳压用电容器，第k(1≤k≤M-2，k为整数)的稳压电容器在第(k+1)电源线和第(k+2)的电源线之间连接，在所述第二期间中储存从第k升压电容器的各升压用电容器释放出的电荷；所述第(M+1)的电源线，也可以连接在所述升压电源线上。
另外本发明涉及的半导体装置中，所述第一电路还可以包括在第M电源线和第(M+1)的电源线之间连接的第(M-1)的稳压电容器，所述第(M-1)稳压用电容器，在所述第二期间储存从第(M-1)升压用电容器释放出的电荷。
根据本发明，可以降低构成第一电路的各构成要素中附加电压。因此，使抑制制造成本成为可能。
另外，在本发明涉及的半导体装置中，还包括第3～第(M+1)(M为大于等于3的整数)电源线；所述第一电路包括第一开关元件的一端连接在第一电源线上，第2M的开关元件的一端连接在第(M+1)的电源线上，第一及第2M开关元件以外的其余的开关元件串联连接在所述第一开关元件的其他端和所述第2M的开关元件的其他端之间的第1～第2M的开关元件、各升压用电容器的一端与连接有第j(1≤j≤2M-3，j为奇数)及第(j+1)的开关元件的第j节点连接，该升压用电容器的其他端与连接有第(j+2)及第(j+3)的开关元件的第(j+2)的连接接点连接的第1～第(M-1)的升压用电容器、以及各稳压用电容器的一端与连接有第k(2≤k≤2M-4，k为偶数)及第(k+1)的开关元件的第k节点连接，该稳压用电容器的其他端与连接有第(k+2)及第(k+3)的开关元件的第(k+2)节点连接的第1～第(M-2)的稳压用电容器；所述第(M+1)电源线连接在所述升压电源线上，第r(1≤r≤2M-1，r为整数)的开关元件和第(r+1)的开关元件互斥地被开关控制为导通，也可以在该第一及第(M+1)的电源线之间输出将第一及第2电源线之间的电压升压到M倍的电压。
在本发明涉及的半导体装置中，所述第一电路，还包括第M电源线和第(M+1)电源线之间连接的第(M-1)的稳压用电容器，所述第(M-1)的稳压用电容器，在所述第二期间中可以储存从第(M-1)升压用电容器释放出的电荷。
另外在本发明涉及的半导体装置中，还可以对各升压用电容器及各稳压用电容器施加所述第一及第二电源线之间的电压。
根据本发明，可以用低耐压制造工艺制进构成第一电路的开关元件、升压用电容器及稳压用电容器。另外，开关元件由一般MOS晶体管实现时，可以用低耐压制造工艺制造MOS晶体管，所以可以降低MOS晶体管的栅电容的充放电电流。
另外，同一般的电荷泵电路相比较，在半导体装置内用相同的面积加入电容器(成本相同)，要得到相同输出阻抗(能力相同)时，可以降低电容器的充放电频率，所以可以降低开关伴随的消耗电流。还有，以低耐压制造工艺加入电容器，可以大幅度削减电容器的寄生容量的充放电电流。
因此，不降低负栽驱动能力，可以提供以低消耗生成升压电压的半导体装置。
另外，在本发明的半导体装置中，还包括第3～第(M+1)(M为3以上整数)的电源线，所述第一电路包括第一及第二电荷泵电路，所述第(M+1)电源线，连接到所述升压电源线，所述第一电荷泵电路包括第一组的第1～第(M-1)的升压用电容器，其第j1(1≤j1≤M-1，j1为整数)升压用电容器在第一期间中连接在第j1电源线和第(j1+1)电源线之间的同时，在所述第一期间过后的第二期间中连接在第(j1+1)电源线和第(j1+2)电源线之间，所述第二电荷泵电路也可以包括第二组的第1～第(M-1)升压用电容器，第j2(1≤j2≤M-1，j2为整数)的升压用电容器在所述第二期间中连接在第j2电源线和第(j2+1)电源线之间的同时，在所述第一期间中连接在第(j2+1)电源线和第(j2+2)电源线之间。
另外在本发明涉及的半导体装置中，所述第一电路还可以包括，第1～第(M-2)的稳压用电容器，其第k(1≤k≤M-2，k为整数)的稳压用电容器连接在第(k+1)电源线和第(k+2)电源线之间。
另外在本发明涉及的半导体装置中，所述第一电路还可以包括，在第M电源线和第(M+1)电源线之间连接的第(M-1)的稳压用电容器。
根据本发明，可以降低构成第一电路的各构成要素中附加的电压。因此，可以控制制造成本。并且，第一期间中，由第二电荷泵电路升压的电压在第一及第(M+1)电源线VL-1，VL-(M+1)之间输出。另外，在第二期间中，由第一电荷泵电路升压的电压，在第1及第(M+1)电源线VL-1，VL-(M+1)之间输出。因此，第一期间及第二期间中，即使由第(M+1)电源线连接的负载引起电流减小，也不会使被升压的电压下降，进而输出稳压用的电压。
另外，本发明涉及的半导体装置，还包括第3～第(M+1)(M为大于等于3的整数)电源线，所述第一电路包括第一及第二电荷泵电路，所述第(M+1)电源线连接在所述升压电源线上，所述第一电荷泵电路包括第一组的第1～第2M开关元件，其第1开关元件的一端连接在第一电源线，第2M开关元件的一端连接在第(M+1)电源线，第一及第2M开关元件以外的其余的开关元件串联连接在所述第1开关元件的其他端和所述第2M开关元件的其他端之间，以及第一组的第1～第(M-1)升压用电容器，其各升压用电容器的一端，连接在接有第j1(1≤j1≤2M-3，j1为奇数)及第(j1+1)开关元件的第j1的连接节点上，该升压用电容器的其他端，连接在接有第(j1+2)及第(j1+3)开关元件的第(j1+2)连接节点上。所述第一组的第r1(1≤r1≤2M-1，r1为整数)开关元件和所述第一组的第(r1+1)开关元件互斥地开关控制成导通状态；所述第二电荷泵电路包括第二组的第1～第2M开关元件，其第1开关元件的一端连接在第一电源线，第2M开关元件的一端连接在第(m+1)电源线上，除了第一及第2M开关元件的其余开关元件串联连接在所述第1开关元件的其他端和所述第2M开关元件的其他端之间、第二组的第1～第(M-1)升压用电容器，其各升压用电容器的一端，连接在接有第j2(1≤J2≤2M-3，j2为奇数)及第(j2+1)开关元件的第j2连接节点，该升压用电容器的其他端，连接在接有第(j2+2)及第(j2+3)开关元件的第(j2+2)连接节点上，所述第二组的第r2(1≤r2≤2M-1，r2为整数)的开关元件和所述第二组的第(r2+1)开关元件互斥地被开关控制为成导通状态。在第一期间中，所述第一组的第r开关元件(1≤r≤2M，r为整数)开关控制成导通状态的同时，所述第二组的第r开关元件被开关控制成关闭状态，在所述第一期间过后的第二期间中，所述第一组的第r开关元件被开关控制成关闭状态的同时，所述第二组的第r开关元件被开关控制为导通的状态也可以。
另外本发明中涉及的半导体装置中，所述第一电路也可以包括其各稳压用电容器的一端连接在接有第k(2≤k≤2M-4，k为偶数)及第(k+1)开关元件的第k连接节点上，该稳压用电容器的其他端，连接在接有第(k+2)及第(k+3)开关元件的第(k+2)连接节点上的第1～第(M-2)稳压用电容器。
另外在本发明涉及的半导体装置中，所述第一电路还可以包括，连接在第M电源线和第(M+1)电源线之间的第(M-1)稳压用电容器。
另外本发明涉及的半导体装置中，还可以在各升压用电容器上施加所述第一及第二电源线之间的电压。
根据本发明，构成第一电路的开关元件，可以用低耐压的制造工艺置入升压用电容器及稳压用电容器。另外，开关元件通过一般的MOS晶体管实现时，MOS晶体管可以用低耐压的制造工艺制造，所以可以降低MOS晶体管的栅电容产生的充放电电流。
再有，与一般的电荷泵电路相比较，在半导体装置内用同样的面积加入电容器(成本相同)，并得到相同的输出阻抗(能力相同)时，因为可以降低电容器充放电的频率，所以可以降低伴随转换而造成的消耗电流。还有，能够用低耐压的制造工艺加入电容器，从而可大幅削减因电容器的寄生容量而产生的充放电电流。
而且，在第一期间，被第二电荷泵电路升压后的电压在第一及第(M+1)电源线VL-1，VL-(M+I)之间输出。另外，在第二期间，被第一电荷泵电路升压后的电压，在第一及第(M+1)电源线VL-1，VL-(M+1)之间输出。因此，第一期间及第二期间中，由第M电源线连接的负载造成的电流减少，也不会使升压的电压下降，也可以输出稳压用的电压。
还有本发明涉及的半导体装置中包括调整电压的电压调整电路，将所述电压调整电路调整过的电压，作为所述第一及第二电源线之间电压提供。
另外在本发明涉及的半导体装置中，所述电压调整电路，也可以根据参考电压和所述第一及第(M+1)电源线之间电压或分压该电压得到的分压电压的比较结果来调整电压另外在本发明涉及的半导体装置中，还可以包括电压调整电路，其根据分压所述第1及第(M+1)电源间的电压得到的分压电压和参考电压的比较结果，改变用于所述第1～第2M的开关元件的开关控制的开关控制信号频率。
另外在本发明涉及的半导体装置中，还包括多值电压生成电路，其根据所述第1及第(M+1)的电源线之间的电压生成多值电压。
根据本发明可以高精度生成驱动用电压，所以可以提供实现表示品质高的驱动的半导体装置。
另外在本发明涉及的半导体装置中，还可以包括驱动器部分，其根据由所述多值电压生成电路生成的多值电压驱动电子光学装置。
另外本发明涉及一种显示装置，其包括多条扫描线、多条数据线、多个像素、驱动多条扫描线的扫描驱动器、及用于驱动所述多条数据线的以上所述的半导体装置。
根据本发明，通过可以使半导体装置低成本及低功耗共存，以更低成本，提供低功耗的显示装置。


图1是第一实施例中的半导体装置构成的概要图。
图2是第一实施例中的第一电路工作原理的示意图。
图3是在图2中所示的第一电路构成例的构成图。
图4是表示图3的开关控制信号动作模式的时序图。
图5A是在第一期间中的图3的第一电路开关状态的模式图。
图5B是在第二期间中的图3的第一电路开关状态的模式图。
图6是表示包括第一电路适用的电荷泵电路的半导体装置构成概要的构成图。
图7是表示图6开关控制信号的动作模式的时序图。
图8A，图8B是电荷泵电路的等效电路图。
图9A，图9B，图9C，图9D是电荷泵电路的电荷泵动作前半的4状态等效电路图。
图10A，图10B，图10C，图10D是电荷泵电路的电荷泵动作后半的4状态等效电路图。
图11是在比较侧的电荷泵电路构成例的构成图。
图12是在比较侧的电荷泵电路动作原理的示意图。
图13A，图13B是在比较侧的电荷泵电路的等效电路图。
图14A，图14B，图14C，图14D，图14E是电荷泵电路的电荷泵动作的5状态等效电路图。
图15是半导体装置内置的电容器寄生电容的示意图。
图16是表示第一实施例中半导体装置构成例的构成图。
图17是表示图16开关控制信号工作模式的时序图。
图18是表示第二实施方式中第一电路概要的框图。
图19是第二实施方式中第一电路的工作原理示意图。
图20是第二实施方式中第一电路的工作原理其他示意图。
图21是表示第二实施例中的半导体装置构成例的构成图。
图22是模式表示图21开关控制信号动作的时序图。
图23是表示第二实施方式中的半导体装置其他构成例的构成图。
图24是内置输出调整升压电压后得到的电压的电源电路的半导体装置的第一构成例的构成图。
图25是电压调整电路构成例的框图。
图26是内置调整升压电压后的输出电压的电源电路的半导体装置的第二构成例的构成图。
图27是表示装置构成例的构成图。
具体实施例方式
以下，对照附图，对本发明的优选实施例进行详细说明。以下描述的实施例不能限定本发明的保护范围，而且，以下所描述的构成也不都是本发明所必需的构成要件。
1.第一实施方式图1中为第一的实施例中的半导体装置的原理的构成图。半导体装置(集积电路装置(IC)，芯片)10用于将第一及第二电源线VL-1和VL-2之间电压升压到M×N(M＞N，M，N为正的整数)倍后生成输出电压Vout。输出电压Vout被输出到第一电源线VL-1和输出电源线VLO之间。
半导体装置10包括第一及第二电路20、30及第一及第二端子T1、T2。
第一电路20，连接在第一及第二电源线VL-1、VL-2和升压电源线VLU上。而且第一电路20，根据电荷泵(Charge Pump)工作，将第一及第二电源线VL-1、VL-2之间的电压VM倍升压得到的电压M·V输出到第一电源线VL-1和升压电源线VLU之间。
第二电路30与第一电源线VL-1、升压电源线VLU及输出电源线VLO连接。并且，第二电路30包括多个开关元件。通过进行这些多个开关元件的导通或断开，进行电荷泵动作。
第一端子T1电连接在第一电源线VL-1上。第二端子T2电连接在第二电路30的多个开关元件中的至少一个开关元件上。
并且，第二电路30，通过在半导体装置10的外部采用了第一及第二端子T1、T2间连接的电容器C和第二端子T2上连接的开关元件的电荷泵的动作，在第一电源线VL-1和输出电源线VLO之间输出电压N(M·V)，所述电压N(M·V)是将第一的电源线VL-1及升压电源线VLU之间的电压M·V升压至N倍得到的。
在这样的半导体装置10中，第一电路20具有作为电荷泵电路功能。而且，第一及第二的端子T1、T2之间连接的电容器C和第二电路30具有电荷泵电路的功能。图1中，半导体装置10中外置的电容器为1个，但也可以通过半导体装置10中外置的多个电容器和第二电路30，而赋予升压电路的功能。
与将M×N倍升压所需要的所有电容器内置于半导体装置10时相比较，因为只内置M倍升压所需要的电容器，可以把进行M×N倍升压的电路的面积增大控制到最小限。而且，应用户要求，例如用可以同一容积实现1.8伏及3伏等的多种电压V的升压。因此，可以提供同时满足例如对于采用将1.8伏升压6倍的电压的用户的要求及对于采用将2.4伏升压5倍的电压的用户的要求的半导体装置。
而且，可以只将N倍升压的电容器外置于半导体装置10上，与M×N倍升压需要的所有电容器外置于半导体装置10时相比，可以减少组装步骤及贴装面积。
因此，优选第二电路30中外置的电容器数目为最小数。因此，M比N大，并且N优选为2。
但是，在M倍升压的第一电路中，为进行电荷泵动作的电容器内置于半导体装置10中。一般来说，若在半导体装置内部内置电容器的话，除了面积增大导致成本提高外，由于充放电电流的增加消耗电流也增加。
所以，在第一实施例中，作为第一电路20，由于采用以下所述的电荷泵电路，因此可以降低消耗电流和降低成本。
1.1第一电路第一实施例中的第一电路20包括多个电容器，输出由所谓的电荷泵方式升压的电压。也就是，第一电路20，包括以下所述的电荷泵电路。
图2中表示第一实施例中的第一电路20的工作原理示意图。这里，围绕M(M为大于等于3的整数)倍升压进行说明。
第一电路20采用第1～第(M+1)电源线VL-1～VL-(M+1)进行电荷泵动作。而且第一电路20，将第一及第二电源线的VL-1和VL-2之间的电压V升压到M倍得到的升压电压M·V，作为输出电压Vout输出到第(M+1)电源线VL-(M+1)。图2给出了M为5时(5倍升压时)的工作原理。
第一电路20，包括第1～第(M-1)升压用电容器Cu1～Cu(M-1)和第1～第(M-2)稳压电容器Cs1～Cs(M-2)。
第1～第(M-1)的升压用电容器Cu1～Cu(M-1)中的第j(1≤j≤M-1，j为整数)升压用电容器Cuj，在第一期间连接在第j电源线VL-jと第(j+1)电源线VL-(j+1)之间。而且，第j的升压用电容器，在第一期间经过后的第二期间连接在第(j+1)电源线VL-(j+1)和第(j+2)电源线VL-(j+2)之间。也就是第j升压用电容器Cuj上连接的电源线可对应于第一期间及第二期间进行切换。
例如第一升压用电容器Cu1，在第一期间中连接在第一及第二电源线VL-1、VL-2之间，在第二期间连接在第二及第三电源线VL-2、VL-3之间。第2升压用电容器Cu2，在第一期间连接在第二及第三电源线VL-2、VL-3之间，在第二期间连接在第三及第四电源线VL-3、VL-4之间。第(M-1)升压用电容器Cu(M-1)，在第一期间连接在第(M-I)及第M电源线VL-(M-1)、VL-M之间，在第二期间连接在第M及第(M+1)电源线VL-M、VL-(M+1)之间。
另外，第1～第(M-2)稳压用电容器Cs1～Cs(M-2)中的第k(1≤k≤M-2，k为整数)稳压用电容器Csk，在第(k+1)电源线VL-(k+1)和第(k+2)电源线VL-(k+2)之间连接。而且，第k稳压用电容器Csk，储存第二期间中从第k升压用电容器Cuk释放出的电荷(充电)。也就是连接在第k稳压用电容器Csk的电源线，在第一及第二期间的各期间为通用。
例如第一稳压用电容器Cs1，在第二及第三电源线VL-2，VL-3之间连接。而且第一稳压用电容器Cs1，在第二期间储存从第一升压用电容器Cu1释放出的电荷。如上述，在第二期间中，第一稳压用电容器Cs1在第二及第三电源线VL-2和VL-3之间连接。第二稳压用电容器Cs2，在连接第三及第四电源线VL-3和VL-4之间。而且第二稳压用电容器Cs2，储存从第二期间的第二升压用电容器Cu2释放出的电荷。第(M-2)稳压用电容器Cs(M-2)，在第(M-1)及第M电源线VL-(M-1)、VL-M之间连接。而且第(M-2)稳压用电容器Cs(M-2)，储存第二期间第(M-2)升压用电容器Cu(M-2)释放出的电荷。
另外第(M+1)电源线VL-(M+1)，连接在如图1所示的升压电源线VLU上。
关于第一电路20的工作原理，如图2所示以M为5的情况为例加以说明。在第一电源线VL-1供给低电位一侧的接地电压VSS，在第二电源线VL-2供给高电位一侧的系统电源电压VDD。在第一及第二电源线VL-1、VL-2之间施加电压V。
第一期间，在第一升压用电容器Cu1的两端附加电压V。而且，在第一期间经过后的第二期间，第一升压用电容器Cu1连接在第二及第三电源线VL-2，VL-3之间。因此在第一期间，第一升压用电容器Cu1中储存的电荷被释放，储存在第一稳压用电容器Cs1中。这样，以连接有第一稳压用电容器Cs1的一端的第二电源线VL-2电压V为基准，连接第一稳压用电容器Cs1的其他端的第三电源线VL-3变成2·V电压。
同样，在第一期间储存在第二及第三各升压用电容器Cu2、Cu3的电荷在第二期间释放，并被储存在第二及第三稳压用电容器Cs2、Cs3的各稳压用电容器中。
结果是，第四～第六电源线VL-4～VL-6的电压分别为3·V、4·V、5·V。即，作为第一电路20的输出电压，在第一及第六电源线VL-1～VL-6之间施加5·V电压。
另外第一电路20还包括在第M电源线VL-M和第(M+1)电源线VL-(M+1)之间连接的第(M-1)稳压用电容器Cs(M-1)，第(M-1)稳压用电容器Cs(M-1)最好在第二期间储存从第(M-1)升压用电容器Cu(M-1)释放出的电荷。也就是M为5时，最好第五及第六电源线VL-5和VL-6之间，再连接第四稳压用电容器Cs4。图2中连接了相当于第(M-1)稳压用电容器Cs(M-1)的第四稳压用电容器Cs4。此时，能以稳定的状态供给由第四稳压用电容器Cs4在第二期间升压所产生的输出电压vout。再有，在图2中，第一电路20，最好再包括第一电源线VL-1和第(M+1)电源线VL-(M+1)之间连接的电容器。也就是M为5时，在第一及第六电源线VL-1、VL-6之间最好连接电容器。在图2中，在相当于第一及第(M+1)电源线VL-1、VL-(M+1)的第一及第六电源线VL-1、VL-6之间连接了电容器C0。此时，可以回避因第六电源线VL-6中连接负载而造成的电压电平的降低。
图3中给出了图2所示的第一电路20的构成例。在图3中的第一电路20中，通过将2个电源线之间串联连接的2个开关元件互斥地被开关控制成导通。可在第一及第二期间的各期间中，切换各升压用电容器上各自连接的电源线。
图3中所示的第一电路20，采用第1～第(M+1)电源线VL-1～VL-(M+1)进行电荷泵动作。而且，第一电路20，将第一及第二电源线VL-1、VL-2之间电压V升压到M倍得到的升压电压M·V作为输出电压Vout，输出到第(M+1)电源线VL-(M+1)上。第(M+1)电源线VL-(M+1)，连接在图1的升压电源线VLU上。
在图3中，给出了M为5时(5倍升压时)的构成例。
第一电路20包括第1～第2M开关元件SW1～SW2M和第1～第(M-1)的升压用电容器Cu1～Cu(M-1)以及第1～第(M-2)稳压用电容器Cs1～Cs(M-2)。
第1～第2M开关元件的各开关元件在第1及第(M+1)电源线VL-1，VL-(M+1)之间串联连接。更具体而言，第1开关元件SW1的一端连接在第一电源线VL-1上，第2M开关元件SW2M的一端连接在第(M+1)电源线VL-(M+1)上。而且，除了第1及第2M开关元件SW1，SW2M之外其余的开关元件SW2～SW(2M-1)直接连接在第一开关元件SW1的其他端和第2M开关元件SW2M的其他端之间。
第1～第(M-1)升压用电容器Cu1～Cu(M-1)的各升压用电容器的一端，连接在接有第j(1≤j≤2M-3，j为奇数)及第(j+1)开关元件SWj，SW(j+1)的第j连接节点ND-j上。并且，该升压用电容器的其他端，连接在接有第(j+2)及第(j+3)开关元件SW(j+2)，SW(j+3)的第(j+2)连接节点ND(j+2)上。
也就是第一升压用电容器Cu1，在第一及第三连接节点ND-1、ND-3之间连接。这里，第1连接节点ND-1是第1及第2开关元件SW1，SW2互相连接的节点，第三连接节点ND-3是第三及第四开关元件SW3，SW4相互连接的节点。第二升压用电容器Cu2，在第三及第五连接节点ND-3.ND-5之间连接。这里，第五连接节点ND-5是第五及第六开关元件SW5、SW6相互连接的节点。同样，第(M-1)升压用电容器Cu(M-1)在第(2M-3)及第(2M-1)连接节点ND-(2M-3)，ND-(2M-1)之间连接。这里，第(2M-3)连接节点ND(2M-3)是第(2M-3)及第(2M-2)开关元件SW(2M-3)和SW(2M-2)相互连接的节点，第(2M-1)连接节点ND-(2M-1)是第(2M-1)及第2M开关元件SW(2M-1)、SW2M相互连接的节点。
另外图3中，第1～第(M-2)稳压用电容器Cs1～Cs(M-2)的各稳压用电容器的一端，连接在接有第k(2≤k≤2M-4，k为偶数)及第(k+1)开关元件SWk、SW(k+1)的第k连接节点ND-k上。而且，该稳压用电容器的其他端，连接在接有第(k+2)及第(k+3)开关元件Sw(k+2)、SW(k+3)的第(k+2)连接节点ND-(k+2)上。
也就是第一稳压用电容器Cs1，连接在第二及第四连接节点ND-2和ND-4之间。这里，第二连接节点ND-2是第二及第三开关元件SW2和SW3相互连接的节点，第四连接节点ND4是第四及第五开关元件SW4和SW5相互连接的节点。第二稳压用电容器Cs2，在第四及第六连接节点ND4和ND-6之间连接。这里，第六连接节点ND-6，是第六及第七开关元件SW6和SW7相互连接的节点。同样，第(M-2)稳压用电容器Cs(M-2)在第(2M-4)及第(2M-2)连接节点ND-(2M-4)、ND-(2M-2)之间连接。这里，第(2M-4)连接节点ND(2M-4)是第(2M-4)及第(2M-3)开关元件SW(2M-4)和SW(2M-3)相互连接的节点，第(2M-2)连接节点ND-(2M-2)是第(2M-2)及第(2M-1)开关元件SW(2M-2)、SW(2M-1)相互连接的节点。
而且，图3中的第一电路20中，第r(1≤r≤2M-1，r为整数)开关元件SWr和第(r+1)开关元件SW(r+1)互斥地被开关控制成导通。在第一及第(M+1)电源线VL-1、VL-(M+1)之间，输出第一及第二电源线之间电压M倍升压后的电压MV。
图4中，表示进行图3中的各开关元件的开关控制的开关控制信号的工作模式。
这里，设进行第一开关元件SW1开关控制(开关控制)的开关控制信号为S1，将进行第二开关元件SW2开关控制的开关控制信号作为S2，...，将进行第2M开关元件SW2M开关控制的开关控制信号作为S2M，模式表示M为5时开关控制信号S1～S10的动作计时。各开关控制信号是重复图4中所示动作的时钟信号。
另外根据高电平(H)的开关控制信号，各开关元件导通，开关元件的两端电连接形成导通状态。另外根据低电平(L)的开关控制信号，各开关元件断开，开关元件的两端断电呈非导通状态。
开关控制信号S1，S3，...，S9，在第一期间为高电平，在第二期间为底电平。开关控制信号S2，S4，...，S10，在第一期间为底电平，在第二期间为高电平。这样，第r开关元件SWr和第(r+1)开关元件SW(r+1)互斥地被开关控制成导通。
此时，最好将第r开关元件SWr和第(r+1)开关元件SW(r+1)开关控制成没有同时为导通状态的期间。因为第r开关元件SWr和第(r+1)开关元件SW(r+1)同时导通的话，将导致由于贯通电流而导致消耗电流的增加。另外图4中，第二期间为第一期间过后的下一个期间，但并不限于此。例如，即使第二期间在第一期间经过后所定的期间开始也可以，重要的是，第二期间只要是在第一期间经过后即可。
接下来，关于图3表示的第一电路20的动作，以M为5的情况(5倍升压)为例子，参照图5A和图5B进行描述。
图5A是表示第一期间中图3的第一电路20开关状态的模式图。图5B是表示第二期间中图3的第一电路20开关状态的模式图。
第一期间中，第一、第三、第五、第七及第九开关元件SW1、SW3、SW5、SW7、SW9为导通状态，第二、第四、第六、第八及第十开关元件SW2、SW4、SW6、SW8、SW10为断开状态(图5A)，如果注意第一升压用电容器Cu1的话，则在第一期间中，对第一升压用电容器Cu1的两端附加第一及第二电源线VL-1、VL-2之间电压V(V、0)。因此，在第一升压用电容器Cu1中储存电荷，以使在第一期间使其两端的电压达到V。
在第二期间中，第一、第三、第五、第七及第九开关元件SW1、SW3、SW5、SW7、SW9为断开状态，第二、第四、第六、第八及第十开关元件SW2、SW4、SW6、SW8、SW10为导通状态(图5B)。由此，在第一升压用电容器Cu1的一端，代替第一电源线VL-1而连接第二电源线VL-2。因此，第一升压用电容器Cu1的其他端电压为2V。第一升压用电容器Cu1的其他端，由于连接了第三电源线VL-3，那么连接在第二及第三电源线VL-2、VL-3之间的第一稳压用电容器Cs1的两端也就加上了电压V，为使其两端的电压为V，电荷将被储存在第一稳压用电容器Cs1上。所以，第一稳压用电容器Cs1其他端的电压为2·V。
关于第2升压用电容器Cu2也基本相同。即，在第一期间中，第2升压用电容器Cu2的一端连接第二电源线VL-2。对第二电源线VL-2供给电压V，但连接第一升压用电容器Cu1的其他端。而且，第2升压用电容器Cu2的其他端，连接第一稳压用电容器Cs1的其他端。所以，在第2升压用电容器Cu2的两端施加电压V(2V、V)，因此，在第一期间中，为使第2升压用电容器Cu2两端的电压为V，电荷将被储存在第2升压用电容器Cu2中。
而且，若变成第二期间，则第一升压用电容器Cu1的其他端电压变为2·V。所以，其一端与第一升压用电容器Cu1连接的第2升压用电容器Cu12的其他端电压为3V。因为第2升压用电容器Cu2的其他端连接第四电源线VL-4，所以第三及第四电源线VL-3、VL-4之间连接的第2稳压用电容器Cs2的两端也施加了电压V，第2稳压用电容器Cs2中，储存电荷使其两端电压变成V。
第三及第四升压用电容器Cu3、Cu4的他端电压也与上述同样，为电荷泵方式升压的电压。其结果，第六电源线VL-6的电压为5·V，被作为输出电压Vout输出。
另外，在图3，图5A，图5B中，第一电路20还包括在第M电源线VL-M和第(M+1)电源线VL-(M+1)之间连接的第(M-1)稳压用电容器Cs(M-1)，第(M-1)稳压用电容器Cs(M-1)，在第二期间最好储存第(M-1)升压用电容器Cu(M-1)释放的电荷。也就是M为5时，在第五及第六电源线VL-5，VL-6之间最好再连接第四稳压用电容器Cs4。图3，图5A，图5B中，用虚线表示相当于第(M-1)稳压用电容器Cs(M-1)的第四稳压用电容器Cs4。此时，根据第四稳压用电容器Cs4可以以稳定的状态供给在第二期间升压的输出电压Vout。
另外，图3、图5A、图5B中，第一电路20最好还包括在第一电源线VL-1和第(M+1)电源线VL-(M+1)之间连接的电容器。也就是M为5时，第一及第六电源线VL-1，VL-6之间，最好连接电容器。在图3，图5A，图5B中，在相当于第一及第(M+1)电源线VL-1、VL-(M+1)的第一及第六电源线VL-1、VL-6之间连接了电容器C0。此时，可以避免由于连接在第六电源线VL-6的负载而造成的电压电平的降低。通过采用上述第一电路20的构成，可对各升压用电容器及各稳压用电容器施加和第一及第二电源线VL-1、VL-2之间电压V相同的电压。另外，如果各开关元件也如下所述，不是升压电压M·V，只要是对于电压V或电压2·V振幅的信号具有耐压性能即可。因此，若将各升压用电容器及各稳压用电容器内置于IC内时，通过不用采用具有电压M·V耐压的高耐压制造工艺，而以实现低成本化的低耐压的制造工艺，就能制造出开关元件及电容器。
1.2内置电容器的半导体装置接下来，围绕内置构成第一电路20的电荷泵电路的情况进行描述。
图6中，表示图3所示的内置构成第一电路20的电荷泵电路的半导体装置的构成概要。在图6中，与图3所示构成要素相同的部分上附加同一符号，省略相应的说明。
半导体装置(集积电路装置(1C)，芯片)100，包括构成图3所示的第一电路20的电荷泵电路200。电荷泵电路200用第1～第(M+1)电源线进行电荷泵动作。
半导体装置100还包括，第一开关元件一端连接在第一电源线上，第2M(M为3以上的整数)开关元件的一端连接到第(M+1)电源线，第一及第2M开关元件以外的其余开关元件串联连接在第一开关元件的其他端和第2M开关元件的其他端之间的第1～第2M的开关元件，及各升压用电容器一端连接在接有第j(1≤j≤2M-3，j为奇数)及第(j+1)开关元件的第j连接节点上，该升压用电容器的其他端连接在接有第(j+2)及第(j+3)开关元件的第(j+2)连接节点上的第1～第(M-1)升压用电容器，及各稳压用电容器的一端连接在接有第k(2≤k≤2M-4，k为偶数)及第(k+1)的开关元件的第k连接节点，该稳压用电容器的其他端连接在接有第(k+2)及第(k+3)开关元件的第(k+2)连接节点的第1～第(M-2)稳压用电容器。而且，半导体装置100中，第r(1≤r≤2M-1)，r为整数)开关元件和第(r+1)开关元件互斥地被开关控制成导通。
电荷泵电路200还包括，在第M电源线和第(M+1)电源线之间连接的第(M-1)稳压用电容器，第(M-1)稳压用电容器，可以在第二期间储存第(M-1)的升压用电容器释放的电荷。图6中，表示M为5时(5倍升压)的电荷泵电路200的构成，相当于第(M-1)稳压用电容器Cs(M-1)的第四稳压用电容器Cs4在第五及第六电源线VL-5，VL-6之间连接。
半导体装置100内置电荷泵电路200的升压用电容器及稳压用电容器。图6中，电荷泵电路200的第一～第二升压用电容器Cu1～Cu4及第一～第四稳压用电容器Cs1～Cs4在半导体装置100中内置。
而且，半导体装置100中，稳压用化升压的电压之外置电容器。更具体的是，半导体装置100包括和第一及第(M+1)电源线VL-I，VL-(M+1)电连接的第一及第二端子T1、T2，在半导体装置100外部，第一及第二端子T1、T2之间连接电容器C0。图6中，半导体装置100包括和第一及第六电源线VL-1、VL-6电连接的第一及第二端子T1、T2，在半导体装置100的外部，在第一及第二端子T1、T2之间连接电容器C0。
电荷泵电路200各开关元件，由金属氧化膜半导体(MetaI-Oxide SemiconductorMOS)晶体管构成。更具体而言，第一开关元件SW1由n沟道型MOS晶体管Tr1构成。第二～第十开关元件SW2～SW10由p沟道型MOS晶体管Tr2～Tr10构成。
因此，作为开关元件，对MOS晶体管进行开关控制的开关控制信号S1～S10变为如图7所示的时序。另外，作为MOS晶体管Tr1和MOS晶体管Tr2开关控制信号S1、S2采用开关控制信号S0。
另外，图6中，每个MOS晶体管中，用“通”或“断”来表示第一及第二期间的导通状态。左侧表示第一期间的导通状态，右侧表示第二期间的导通状态。
另外图6中给出了每个升压用电容器在第一及第二期间，在该升压用电容器的两端附加的电压。左侧表示第一期间中附加的电压，右侧表示第二期间附加的电压。
这种电荷泵电路200的工作和图3，图4及图5A，图5B所示内容相同。因此，省略其说明。
1.3输出阻抗下面，为了说明电荷泵电路200的效果，求出电荷泵电路200的输出阻抗。
电荷泵电路200的输出阻抗Z，如式(1)所示，供给已升压的输出电压Vout的第6电源线VL-6产生电流I时，第6电源线VL-6的电压有下降的倾向。
Vout＝I·Z...(1)电荷泵电路的能力可以用该电荷泵电路的输出阻抗来表示。输出阻抗的值越小，意味着因负载引起电流变化时的电压降越小。所以，输出阻抗的值越小电荷泵电路的能力(电荷供给能力、负载驱动能力)越高，输出阻抗的值越大电荷泵电路的能力越低。优选能力高的电荷泵电路。
电荷泵电路200的输出阻抗可以通过如下方法简单求出。
图8A、图8B给出了电荷泵电路200的等效电路。图8A给出了在第一期间的电荷泵电路200的等效电路。图8B给出了在第二期间的电荷泵电路200的等效电路。在此，各等效电路中的电阻元件为MOS晶体管的导通电阻(オン抵抗)。另外，各等效电路中的电源是施加在第1电源线VL-1和第2电源线VL-2之间的电压V。
下面，利用各等效电路，将电荷泵电路200的电荷泵动作分为8个状态来考虑，并且，求出各状态中的阻抗。
图9A、图9B、图9C、图9D给出了电荷泵电路200的电荷泵动作的前4个状态的等效电路图。
图10A、图10B、图10C、图10D给出了电荷泵电路200的电荷泵动作的后4个状态的等效电路图。
也就是图9(A)是MOS晶体管Tr1、Tr3为导通状态时的等效电路。图9(B)是MOS晶体管Tr2、Tr4为导通状态时的等效电路。图9(C)是MOS晶体管Tr3、Tr5为导通状态时的等效电路。图9(D)是MOS晶体管Tr4、Tr6为导通状态时的等效电路。
另外图10A是MOS晶体管Tr5、Tr7为导通状态时的等效电路。图10B是MOS晶体管Tr6、Tr8为导通状态时的等效电路。图10C是MOS晶体管Tr7、Tr9为导通状态时的等效电路。图10D是MOS晶体管Tr8、Tr10为导通状态时的等效电路。
然后，设各MOS晶体管的导通电阻的电阻值为r。而且，在图9A，图9B，图9C，图9D，图10A，图10B，图10C，图10D的各状态中，将电阻分为DC成分和AC成分。
各状态阻抗的DC部分分别是两个MOS晶体管的导通电阻，所以为2r。
另外，在各状态的导通电流i可以通过i＝cfV求出。在此，f为转换频率。阻抗的AC部分是由各状态的转换产生的，因此为1/(c·f)。即，通过从图9A给出的状态向图9B给出的状态切换，其阻抗的AC部分成为1/(Cu1·f)。
同样，通过从图9B所示的状态向图9C所示的状态的转换，其阻抗的AC成分变为1/(Cs1·f)。通过从图9C所示的状态向图9D所示的状态的转换，阻抗的AC成分变成1/(Cu2·f)。通过从图9D中所示的状态向图10A所示的状态的转换，阻抗的AC成分变成1/(Cs2·f)。通过从图10A所示的状态向图10B所示的状态，阻抗的转换，AC成分变为1/(Cu3·f)。通过从图10B所示的状态向图10C所示的状态的转换，阻抗的AC成分变为1/(Cs3·f)。通过从图10C所示的状态到图10D所示的状态的转换，阻抗的AC成分变为1/(Cu4·f)。
在此，设各升压电容器和各稳压用电容器的电容值为c。输出阻抗Z为阻抗DC部分与AC部分之和，所以，可由下式(2)表达。
Z＝8×2r+7×1/(c·f)＝16r+7/(c·f)…(2)同时，当N倍升压时，输出阻抗的一般表达式可由下式(3)表达。
Z＝((2N-4)×2+4)×r+(2N-3)/(c·f)＝(4N-4)r+(2N-3)/(c·f)…(3)1.4比较例下面，为了与图6给出的升压电路200做对比，就比较例中的电荷泵电路进行说明。
图11给出了比较例的电荷泵电路的组成例。在此，与图6给出的电荷泵电路200相同部分标上相同的标记。
比较例中的电荷泵电路300具有第一及第二电源线VLC-1、VLC-2、第1～第(M+2)的输出电源线VLO-1～VLO-(M+2)。而且，将第一及第二电源线VLC-1，VLC-2之间的电压V升压到M倍得到的升压电压M·V作为输出电压Vout，输出到第(M+2)的输出电源线VLO-(M+2)。
电荷泵电路300包括作为低耐压第1开关元件～第4开关元件的n沟道MOS晶体管LN1、LN2和p沟道MOS晶体管LP1、LP2。另外，电荷泵电路300包括作为高耐压第1开关元件～第N开关元件的p沟道MOS晶体管HP1～HPM。
MOS晶体管LP1、LN1串联连接在第1电源线VLC-1和第2电源线VLC-2之间。MOS晶体管LP1、LN1由开关控制信号S1C对进行“通-断”控制。另外，MOS晶体管LP2、LN2串联连接在第1电源线VLC-1和第2电源线VLC-2之间。MOS晶体管LP2、LN2由开关控制信号S2C进行“通-断”控制。
MOS晶体管HP1～HPM串联连接在第2电源线VLC-2和第(M+2)的输出电源线VLO-(M+2)之间。MOS晶体管HP1的漏极端子与第2电源线VLC-2连接。MOS晶体管HPM的源极端子与第(M+2)的输出电源线VLO-(M+2)连接。由开关控制信号S3C～S(M+2)C对MOS晶体管HP1～HPM进行“通-断”控制。
第1输出电源线VLO-1与MOS晶体管LN2的漏极端子和MOS晶体管LP2的漏极端子连接。第2输出电源线VLO-2与MOS晶体管LN1的漏极端子和MOS晶体管LP1的漏极端子连接。
当M为奇数时，在第2输出电源线VLO-2与MOS晶体管HPq(1≤q≤M，q为偶数)之间分别连接快速电容器。这样，(M-1)/两个快速电容器连接在第2输出电源线VLO-2。另外，在第1输出电源线VLO-1与MOS晶体管HPt(2≤t≤M，t为奇数)之间分别连接快速电容器。因此，(M-1)/两个快速电容器连接第1输出电源线VLO-1。
另一方面，当M为偶数时，在第2输出电源线VLO-2与MOS晶体管HPq(1≤q≤M，q为偶数)之间分别连接快速电容器。因此，M/2个快速电容器连接在第2输出电源线VLO-2。另外，在第1输出电源线VLO-1与MOS晶体管HPt(2≤t≤M，t为奇数)之间分别连接快速电容器。因此，(M/2-1)个快速电容器由第1输出电源线VLO-1连接。
图11，给出了当N为5时(5倍升压时)的构成例。另外，为了实现输出电压Vout的稳定化，在输出输出电压Vout的第七输出电源线VLO-7和第一电源线VLC-1之间连接电容器C5。
另外，与图6相同，在图11中用“通”或“断”表示每个MOS晶体管在第一和第二期间的导通状态。左侧表示在第一期间的导通状态，右侧表示在第二期间的导通状态。
另外图11中，给出了在第一和第二期间施加在每个快速电容器两端的电压。左侧给出了在第一期间施加的电压，右侧给出了在第二期间施加的电压。
图12给出了比较例的电荷泵电路工作原理的示意图。这样，通过重复第1期间和第2期间的电荷泵方式，将第1电源线VLC-1和第2电源线VLC-2之间的电压升压到N倍的升压电压作为输出电压Vout输出到第(M+2)输出电源线VLO-(M+2)(在图12为第7输出电源线VLO-7)。
比较例的电荷泵电路300的输出阻抗可以通过如下方法简单求出。
图13A、图13B给出了比较例的电荷泵电路300的等效电路。图13A给出了在第1期间的电荷泵电路300的等效电路。图13B给出了在第2期间的电荷泵电路300的等效电路。在此，各等效电路中的电阻元件为MOS晶体管的导通电阻。另外，等效电路中的电源给出了在第1电源线VL-1和第2电源线VL-2之间施加电压V。
下面，利用各等效电路，将电荷泵电路300的电荷泵动作分为5个状态。并且，求出各状态的阻抗。
图14A，图14B，图14C，图14D，图14E给出了电荷泵电路300的电荷泵5个工作状态的等效电路。
也就是图14A是MIOS晶体管HP1、LN1为导通状态时的等效电路。图14B是MOS晶体管HP2、LN2为导通状态时的等效电路。图14C是MOS晶体管HP3、LN1为导通状态时的等效电路。图14D是MOS晶体管HP4、LN2为开状态的等效电路。图14E是MOS晶体管HP5、LP2为开状态的等效电路。
下面，设各MOS晶体管导通电阻的电阻值为r。且，根据图14A、图14B、图14C、图14D、图14E的各状态，将阻抗分为DC部分和AC部分。
图14A、图14E的各状态的阻抗DC部分为2r。图14B、图14C、图14D的各状态的阻抗DC部分为3r。
另外，可用上述同样的方法求出阻抗的AC成分。即，通过从图14A给出的状态向图14B给出的状态转换，阻抗的AC部分变为1/(C1·f)。通过从图14B给出的状态向图14C给出的状态转换，阻抗的AC部分变为1/(C2·f)。通过从图14C给出的状态向图14D给出的状态转换，阻抗的AC部分成为1/(C3·f)。通过从图14D给出的状态向图14E给出的状态转换，阻抗的AC部分成为1/(C4·f)。
这里，设各快速电容器的电容值为c。输出阻抗Zc是阻抗的DC部分与AC部分之和，因此，可由下式(4)表达。另外，虽然由于与第7输出电源线VLO-7连接的负载，会产生对电容器C5的AC成分，但将电容器C5作为外置电容设置，电容值比其他的快速电容C1～C4大很多，因此，作为阻抗，快速电容器C1～C4起主要作用，可以忽略电容器C5产生的AC成分。
Zc＝(2×2r+3×3r)+4×1/(c·f)＝13r+4/(c·f)…(4)还有，当M倍升压时，输出阻抗的一般表达式可由下式(3)给出。
Zc＝(2×2r+(M-2)×3r)+(M-1)/(c·f)＝(3M-2)r+(M-1)/(c·f)…(5)1.5和比较例的对比将图6给出的本实施例的电荷泵电路200的构成与图11给出的比较例的电荷泵电路300的构成加以比较。两电路尽管同样实现5倍升压，但在电荷泵电路200中增加了电容器和开关元件的数目。
另外，将图6给出的本实施例的电荷泵电路200的输出阻抗Z和图11给出的比较例的电荷泵电路300的输出阻抗Zc加以对比。根据式(2)及式(4)，输出阻抗Zc比输出阻抗Z小。
如上所述，通常认为采用比较例的电荷泵电路300要比采用第一实施例的电荷泵电路200更有利。
然而，当将构成电荷泵电路的电容器内置于半导体装置内时，通过第一实施例的电荷泵电路200，能用低耐压的制造工艺制造全部的升压电容器及稳压用电容器。与此相反，比较例的电荷泵电路300则需要用高耐压的制作工艺制造MOS晶体管HP1～HP5、快速电容器C2～C4。
这里，所谓的低耐压是指由第一和第二电源线VLC-1、VLC-2(VL-1、VL-2)之间的电压V(如1.8伏～3.3伏)决定的设计规则上的耐压。而所谓高耐压，是指如对应于10伏～20伏的高电压的设计规则上的耐压。
在半导体装置内制作的电容器两电极间的膜厚，因采用低耐压的制作工艺还是采用高耐压的制作工艺的不同而变化。在采用低耐压的制作工艺制作的电容器中，可使其两电极间的膜厚更薄，单位面积的电容值加大。即，当同样获得某一电容值时，低耐压的制作工艺的电容器的面积比高耐压的制作工艺的电容器的面积小。另外，若考虑内置于半导体装置内的情况，能减小因电容器数量的增加而带来的影响。
所以，耗费相同的面积将电容器内置于半导体装置内时，与比较例的电荷泵电路300相比，优选采用第一实施例的电荷泵电路200。
并且，将根据第一实施例的电荷泵电路200的电容器内置于半导体装置，具有以下优点。
第一，由于可以采用低耐压制造工艺制造作为开关元件的MOS晶体管，因此，可以降低MOS晶体管栅极电容的充放电电流。与实现相同导通电阻的高耐压的MOS晶体管相比，可使低耐压的MOS晶体管的沟道宽度变窄，如图6所示，充放电电压为低电压。而在图11中，充放电电压为V～5·V，5·V是高电压。因此，采用低耐压的MOS晶体管可使栅极膜厚变薄，即使考虑栅极电容变大的影响，也能降低栅极电容的充放电电流。
第二，关于第一实施例的电荷泵电路200和比较例的电荷泵电路300，要在半导体装置内耗费同样的面积制作电容器(成本相同)，同时获得相同的输出阻抗(能力相同)时，本实施例的电荷泵电路200与比较例的电荷泵电路300相比可以降低伴随切换带来的消耗电流。
就这一点进行说明。由于向电荷泵电路的电容器充电需要充足的时间，所以，时间常数C·r可以比1/2f(充放电频率)更小。这里，例如设时间常数C·r为开关控制信号脉冲的十分之一。另外，设电荷泵电路200和电荷泵电路300的电容器的容量值相同，MOS晶体管的导通电阻的电阻值相同。
C·r＝1/(20·f)…(6)所以，将(6)式代入(2)式、(4)式，得下式(7)、式(8)。
Z＝13/(20·Ca·fa)+4/(Ca·fa)…(7)Zc＝16/(20·Cb·fb)+7/(Cb·fb)…(8)根据(7)式及(8)式，Ca是电荷泵电路300的每一个电容器的容量值，Cb是电荷泵电路200的每一个电容器的容量值。另外，fa是电荷泵电路300的各电容器的充放电的频率，fb是电荷泵电路200的各电容器的充放电的频率。
为了使电荷泵电路200的输出阻抗Z和电荷泵电路300的输出阻抗Zc相同，由(7)式及(8)式，Z＝Zc。由此，得下式(9)。
Cb·fb＝(7.8/4.65)·Ca·fa＝1.68·Ca·fa…(9)设低耐压的制造工艺的电容器CLV的绝缘氧化膜的厚度为10纳米(nm)，例如，设16伏的高耐压制造工艺制造电容器CHV时的绝缘氧化膜的厚度为55nm。此时，单位面积的电容比由下式(10)给出。
CLV＝5.5·CHV…(10)在图11给出的电荷泵电路300，只有快速电容器(电容器)C1为低耐压，快速电容器C2～C4需要高耐压。所以，为了使全部的电容器的容量值相同，设整体面积为S，则，低耐压电容器的面积0.057·S…(11)一个耐高压电容器的面积0.314·S…(12)另一方面，在图6给出的电荷泵电路200，升压电容器及稳压用电容器全部共8个都可以是低耐压，所以，设整体面积为S，则，低耐压电容器的面积0.125·S…(13)所以，要想将电荷泵电路300的一个电容器的容量值Ca与电荷泵电路200的一个电容器的平均容量值Cb的合计用同一面积实现，下面的关系式成立。
Cb＝(0.125/0.057)·Ca＝2.19·Ca…(14)将(14)式代入(9)式，fb和fa的关系如(15)式。
fb＝0.77·fa…(15)(15)式表示本实施例的电荷泵电路200的充放电的频率fb是比较例的电荷泵电路300充放电的频率fa的0.77倍。因此，根据本实施例可以降低充放电频率。即，可以降低伴随开关控制信号的频率下降引起的开关元件切换的消耗电流。
另外，内置第一实施实施例的电荷泵电路200的电容器的第三优点如下。
即，关于本实施例的电荷泵电路200和比较例的电荷泵电路300，要在半导体装置内耗费同样的面积制作电容器(成本相同)，获得同样的输出阻抗(能力相同)时，利用本实施例的电荷泵电路200，与比较例的电荷泵电路300相比，可以降低电容器寄生电容的充放电电流。
图15给出了内置于半导体装置内的电容器的寄生电容的示意图。将电容器内置于半导体装置时，在构成半导体的如p型硅基板(广义为半导体基板)400上形成n势阱区域(广义为杂质区域)410。并且，在n势阱区域410上形成绝缘氧化膜(广义为绝缘层)420。并且，在绝缘氧化层420上形成多晶硅膜(广义为导电层)430。
电容器是利用绝缘氧化膜420，形成于n势阱区域410和多晶硅膜430之间。并且，p型硅基板400与n势阱区域410的结电容成为寄生电容。
在比较例的电荷泵电路300，如图11所示，作为快速电容器的全部电容器C1～C4的全部进行电压为ΔV的充放电。在图11，用Cx1～Cx4表示电容器C1～C4的寄生电容。若设单位面积的寄生电容为Ci，则寄生电容的充放电电流Ia可以用下式表达。
Ia＝Ci·S·V·fa…(16)另一方面，在本实施例的电荷泵电路200中，不重复进行稳压用电容器的充放电，只有电荷泵电容器被反复充放电。所以，8个电容器中的一半的4个电容器的寄生电容产生充放电电流。在图5，用Cy1～Cy4表示第1～第四升压电容器Cu1～Cu4的寄生电容。第1～第四升压电容器Cu1～Cu4的寄生电容Cy1～Cy4的充放电电流Ib可用下式表达。
Ib＝Ci·(S/2)·V·fb…(17)由(16)式及(17)式，求得Ia和Ib的关系，代入(15)式，得到下式。
Ib＝Ia/2×0.77＝0.38Ia…(18)(18)式表示本实施例的电荷泵电路200的电容器寄生电容的充放电电流Ib，是比较例的电荷泵电路300的电容器寄生电容的充放电电流Ia的0.38倍。所以，按照本实施例，能大幅削减电容器寄生电容的充放电电流。
综上，与比较例的电荷泵电路300对比时，可通过将构成本实施例的电容器内置于半导体装置内，能大幅削减如上所述的损耗电流。
1.6构成例如以上，在第一实施例的半导体装置10中，用图2～图10A、图10B、图10C、图10D说明第一电路20的构成，与内置比较例的电荷泵电路对比，可不用降低能力就可以减少消耗电流。
另一方面，第一实施例的半导体装置10中，第二电路30只包括图11～图14中说明的比较例的电荷泵电路开关元件。而且，该比较例中的电荷泵电路电容器，在半导体装置10的外部连接。这样，对比第一实施例的电荷泵电路，开关元件的个数可以减少，可以削减电路面积。而且，N为2的时候(2倍升压)，可以使外置电容器的个数变为最少。
图16中，表示第一实施例半导体装置的构成例。但是，和图1所示的半导体装置10和同一部分上附加同一符号，省略相应的说明。另外图16中，表示M为3，N为2时的构成例。
图16中，半导体装置10包括第三～第五的端子T3～T5。第二电路30包括作为串联连接在第一电源线VL-1和升压电源线VLU之间的第一及第2输出用开关元件的高耐压MOS晶体管HN1、HP1和作为串联连接在升压电源线VLU和输出电源线VLO之间的第三及第四输出用开关元件的高耐压MOS晶体管HP2、HP3。
而且，第二端子T2，连接在输出电源线VLO。第三的端子T3电气连接在接有作为第一及第2输出用开关元件的MOS晶体管HN1、HP1的连接节点NDC-1。第四端子T4，电气连接在接有作为第二及第三输出用开关元件的MOS晶体管HP1、DP2的连接节点NDC-2。第五端子T5电气连接在接有作为第三及第四输出用开关元件的MOS晶体管HP2、HP3的连接节点NDC-3上。
另外，如图16所示，第一及第四端子T1、T4之间将电容器C0、第三及第五端子T3、T5之间将电容器C1，第一及第二端子T1、T2之间将电容器C2，分别连接在半导体装置10的外部。这样，根据第二电路30和电容器C0～C2，在如图11所示的比较例的电荷泵电路300中形成M为2时的电路构成。因此，输出电源线VLO中提供将第一电源线VL-1和升压电源线VLU之间电压升压到2倍的电压Vout。
作为开关元件，对MOS晶体管进行开关控制的开关控制信号S0～S6、S0C～S4C，变为如图17所示的时序。另外，作为MOS晶体管Tr1和MOS晶体管Tr2开关控制信号S1、S2采用开关控制信号S0，作为MOS晶体管HN1、HP2开关控制信号S1C、S2C则采用开关控制信号S0C。
另外，图16中，不同MOS晶体管，将第一及第二期间的导通状态，用“通”或“断”来表示。在左侧表示第一期间的导通状态，右侧表示第二期间的导通状态。
另外图16中表示，每个升压用电容器，稳压用电容器及外置的电容器C0～C2电容器上，在第一及第二期间，在各电容器的两端附加的电压。左侧表示第一期间附加的电压，右侧表示第二期间附加的电压。
2.第二实施例第二实施例的半导体装置，为与图1所示的半导体装置10同样的构成。但是，第2实施例中，在图1所示的构成半导体装置中的第一电路包括，运用第一实施例中的电荷泵电路的2个电荷泵电路。
图18给出了第2实施例的第一电路的组成概要。
第二实施例的第一电路450，采用第1～第(M+1)(M为3以上的整数)电源线VL-1～VL-(M+1)进行电荷泵动作。第一电路450包括，第一及第二电荷泵电路460、470。第一及第二电荷泵电路460、470中，分别适用如图2所示的电荷泵电路。另外，图18中表示M为5(5倍升压时)的构成。
图19中，表示图18中所示的第一电路450的工作原理说明图。
第一电荷泵电路460包括第一组的第1～第(M-1)升压用电容器CuI1-A～Cu(M-1)-A，其第j1(1≤j1≤M-1，j1为整数)的升压用电容器Cuj1在第一期间连接在第J1电源线VL-j1和第(j1+1)电源线VL-(j1+1)之间的同时，在经过第一期间后的第二期间连接在第(j1+1)电源线VL-(j1+1)和第(j1+2)电源线VL-(j1+2)之间。
第二电荷泵电路470包括第二组的第1～第(M-1)升压用电容器Cu1-B～Cu(M-1)-B，其第j2(1≤j2≤M-1，j2为整数)的升压用电容器Cuj2在第二期间连接在第j2电源线VL-j2和第(j2+1)电源线VL-(j2+1)之间的同时，在第一期间连接在第(j2+1)电源线VL-(j2+1)和第(j2+2)电源线VL-(j2+2)之间。
另外在第一及第二电荷泵电路460、470中共用第1～第(M+1)电源线VL-1～VL-(M+1)的各电源线。
这样，第一及第二电荷泵电路460、470，以相互不同的位相，将第一及第二电源线VL-1，VL-2之间电压升压到Mm的电压输出到第一及第(M+1)电源线VL-I，VL-(M+1)之间。
因此，第一电路450，在第一期间中，将由第一电荷泵电路460升压的电压输出到第(M+1)电源线VL-(M+1)，在第二期间中，将由第二电荷泵电路470升压的电压输出到第(M+1)电源线VL-(M+1)。因此，第一及第二期间相互重复时，可以避免第(M+1)电源线VL-(M+1)上连接负载引起的电压下降。
而且，另外，一个电荷泵电路的非输出期间可以作为其他的电荷泵电路的输出期间，所以在第一及第二电荷泵电路460，470的各电荷泵电路中，可以采用省略了如图2所示的稳压用电容器的构成。
另外，为了各电源线电压的稳定化，所以如图20所示，也可以包括第1～第(M-2)稳压用电容器，第1～第(M-2)稳压用电容器的第k(1≤k≤M-2，k为整数)稳压用电容器Csk，连接在第(k+1)电源线VL-(k+1)和第(k+2)电源线VL-(k+2)之间。还有，可以包括在第M电源线VL-M和第(M+1)电源线VL-(M+1)之间连接的第(M-1)稳压用电容器Cs(M-1)。
图20是以M为5时的情况为例的构成。因此，第一稳压用电容器Cs1连接在第二电源线VL-2和第三电源线VL-3之间。第2稳压用电容器Cs2连接在第三电源线VL-3和第四电源线VL-4之间。第三稳压用电容器Cs3连接在第二电源线VL-4和第五电源线VL-5之间。而且，作为第(M-1)稳压用电容器Cs(MI-1)，第四稳压用电容器Cs4连接在第五电源线VL-5和第六电源线VL6之间。
另外图18～图20中，在第一及第(M+1)的电源线VL-1、VL-(M+1)之间，连接了稳压用的大容量电容器C0。
另外图18～图20中，表示5倍升压时的构成，但不是限于此，也同样适用于M倍升压时的构成。
这样第一及第二电荷泵电路460、470中，通过运用进行图2表示的电荷泵动作的电荷泵电路，在将第一电路450内置于半导体装置中时，可以实现降低消耗电流，削减成本，及输出电压的稳定化的目标。
另外第一及第二电荷泵电路460、470的各电荷泵电路中，可以适用如图3所示的电荷泵电路。
此时，图18中，当M为5时，第一电荷泵电路460根据基于开关控制信号S0A～S10A的开关控制信号的电荷泵动作，将第一及第二电源线VL-1、VL-2间的电压升压得到的电压输出到第六电源线VL-6中。第二电荷泵电路470，通过基于开关控制信号S0B～S10B的开关控制信号的电荷泵方式，将第一电源线VL-1和第二电源线VL-2之间的电压升压输出到第六电源线VL-6。
开关控制信号S0B～S10B是通过反转电路480，分别将开关控制信号S0A～S10A各自反转的信号。因此，第一及第二电荷泵电路460、470，以各自相互不同的位相进行电荷泵动作，将升压电压输出到第六电源线VL-6上。
图21中表示第2实施例的半导体装置构成例。但是，在图21中，与图3、图16、图17及图18中表示的构成要素相同部分附加相同符号，省略相应的说明。另外，第一电荷泵电路460的构成要素符号末尾附加了A，第二电荷泵电路470的构成要素符号末尾附加了B。
第2实施例的半导体装置500，和图1上所示的第一实施例的半导体装置10同样，包括第一及第二电路510、30。在图21的第二电路30和第一实施例的第二电路30为同样的构成。
第一电路510，采用第1～第(M+1)(M为3以上的整数)电源线进行电荷泵动作。第(M+I)电源线连接在图1的升压电源线上。第一电路510包括第一及第2的电荷泵电路460、470。
第一电荷泵电路460包括第一组的第1～第2M开关元件，其第一开关元件的一端连接在第一电源线上，第2M开关元件的一端连接在第(M+1)电源线上，除了第一及第2M开关元件的其余开关元件串联连接在第一开关元件的其他端和第2M开关元件的其他端之间、及第一组的第1～第(M-1)升压用电容器，各升压用电容器的一端连接在接有第j1(1≤j1≤2M-3，j1为奇数)及第(j1+1)开关元件的第j1连接节点上，该升压用电容器的其他端，连接在接有第(j1+2)及第(j1+3)开关元件的第(j1+2)连接节点上。
而且，第一电荷泵电路460中，第一组的第r1(1≤r1≤2M-1，r1为整数)开关元件和第一组的第(r1+1)开关元件互斥地被开关控制成导通。
第二电荷泵电路470包括第二组的第1～第2M开关元件，其第一开关元件的一端连接在第一电源线，第2M开关元件的一端连接在第(m+1)电源线，除了第一及第2M开关元件的其余开关元件串联连接在所述第一开关元件的其他端和所述第2M开关元件的其他端之间；及第二组的第1～第(M-1)升压用电容器，其各升压用电容器的一端连接在接有第j2(1≤j2≤2M-3，j2为奇数)及第(j2+1)开关元件的第j2连接节点上，该升压用电容器的其他端连接在接有第(j2+2)及第(j2+3)开关元件的第(j2+2)连接节点上。
而且，第二电荷泵电路470中，第二组的第r2(1≤r2≤2M-1，r2为整数)开关元件和第二组的第(r2+1)开关元件互斥地被开关控制成导通。
在第一期间中，将第一电荷泵电路460的第一组的第一开关元件(1≤r≤2M，r为整数)开关控制导通状态的同时，第二电荷泵电路470的第二组的第一开关元件开关控制为断开状态。
在第一期间经过后的第二期间，将第一电荷泵电路460的第一组的第r开关元件开关控制成为断开状态的同时，第二电荷泵电路470的第二组的第二开关元件开关控制为成导通状态。
半导体装置500中，第1～第(M+1)电源线的各电源线，在第一及第二电荷泵电路460、470之间为共用。而且，半导体装置500中，只外置用于稳定升压后的电压的电容器。
图21中，表示M为3时的构成。而且，各电荷泵电路的各开关元件由MOS晶体管构成。更具体而言，第一电荷泵电路460中，第一开关元件SW1A由n沟道型MOS晶体管Tr1A构成。第2～第六开关元件SW2A～SW6A由p沟道型MOS晶体管Tr2A～Tr6A构成。第二电荷泵电路440中，第一开关元件SW1B由n沟道型MOS晶体管Tr1B构成。第2～第六开关元件SW2B～SW6B由p沟道型MOS晶体管Tr2B～Tr6B构成。
因此，作为开关元件进行MOS晶体管开关控制的开关制御信号S0A～S10A、S0B～S10B变成如图22所示的时序。图21中，省略了反转电路480的图示，但半导体装置500内包括反转电路480。因此，开关控制信号S0A～S10A和开关控制信号S0B～S10B，相互相位反转。
另外，在图21中，对每个MOS晶体管，用“开”或“关”表示其第一及第二期间的导通状态。左侧表示第一期间的导通状态，右侧表示第二期间的导通状态。
另外图21中，表示各电容器上，在第一及第二期间，该升压用电容器的两端附加的电压。左侧表示在第一期间附加的电压，右侧表示在第二期间附加的电压。
第一电路510的动作与上述同样。因此，省略其说明。
另外，在图21中，为了各电源线电压的稳定化，也可以在各电源线间设置稳压用电容器。
在图23中，给出了第2实施例的半导体装置之外的构成例。图23中，和图21相同部分上附加同一符号，省略其说明。
图23的半导体装置，对比图21所示的半导体装置，还具有连接稳压用电容器的构成。更具体地说，图23中，第一电路510包括第1～第(M-2)稳压用电容器，各稳压用电容器的一端连接在接有第k(2≤k≤2M-4，k为偶数)及第(k+1)开关元件的第k连接节点上，该稳压用电容器的其他端，连接在接有第(k+2)及第(k+3)开关元件的第(k+2)连接节点上。
图23中，表示M为3时的构成。也就是，第一稳压用电容器Cs1，连接在第二及第三电源线VL-2、VL-3之间。
另外，还可以包括第M电源线和第(M+1)电源线之间连接的第(M-1)稳压用电容器。也就是，在M为3时的图23半导体装置500中，在第三及第四电源线VL-3、VL-4之间，还可以连接第2稳压用电容器Cs2。
3.电压调整第一及第二实施例的半导体装置中，如以下所示，可通过调整第一及第二电源线之间电压，调整由第一及第二电路升压的电压。
图24给出了内置输出将升压电路的升压电压经调整后的电压的电源电路的半导体装置的第一组成例的概要。与图1给出的半导体装置10相同的部分标上相同标记，省略其说明。
图24所示的半导体装置550包括电源电路600。电源电路600包括升压电路608，可以输出调整升压电路608升压电压后的一个或多个电压(V1、V2，...)。
升压电路608包括第一实施例的第一及第二电路20、30，或第2实施例的第一及第二电路510、30。
半导体装置550，和图1所示的半导体装置10同样，具有第一及第二端子T1、T2。第一及第二端子T1、T2连接升压电路608的第一及第六电源线VL-1和VL-6。而且，在半导体装置550的外部，第一及第二端子T1、T2之间连接电容器C0(外置)。另外，也可以具备第三～第五的端子T3～T5，连接在第二电路连接的电容器。
而且，电源电路600，包括多值电压生成电路605。多值电压生成电路605，根据第一及第六电源线VL-1和VL-6(广义上为第一及第(M+1)电源线)之间的电压，生成多值电压V1、V2、…。多值电压生成电路605能用调节器调整第二电源线VL-2和第五电源线VL-5的各中间电压，作为多值电压V1、V2、…输出。由多值电压生成电路605生成的多值电压可以用于如电光学装置等的驱动。
也就是第六电源线VL-6中输出的升压电压，原样从电源电路600输出。这可以通过设置例如图23所示的第四稳压用电容器Cs4，来实现升压电路608的输出电压Vout的稳定。另外电源电路600包括电压调整电路610和比较电路620。电压调整电路610输出调整高电位一侧的系统电源电压VDD和低电电位侧接地电源电压VSS之间电压的调整电压VREG。调整电压VREG供给升压电路608的第二电源线VL-2中。
比较电路620，与参照电压Vref和基于升压电路608升压电压的分压电压相比较，其比较结果输出到电压调整电路610上。更为具体讲，比较电路620，将第一及第六电源线VL-1、VL-6(广义上第一及第(M+1)电源线)之间电压分压后的分压电压和参考电压Vref相比较，输出对应其比较结果的比较结果信号。而且，电压调整电路610，根据比较电路620的比较结果信号，输出将调整高电位侧的系统电源电压VDD和低电位侧接地电源电压VSS之间电压的调整后的调整电压VREG。
图25中表示电压调整电路610的构成例。电压调整电路610包括，分压电路612和电压跟随器连接的运算放大器614以及开关电路616。
分压电路612，包括在系统电源电压VDD和接地电源电压VSS之间连接的电阻元件，输出系统电源电压VDD和接地电源电压VSS之间的电压的分压电压的任意一个。
运算放大器614在系统电源电压VDD和接地电源电压VSS之间连接。运算放大器614在输出调整电压VREG的同时，运算放大器614的输出被负反馈。
开关电路616和分压电路612的分压点，运算增幅器614的输入相连结。开关电路616根据比较电路620的比较结果信号，将分压电路612的多个分压点的任意一个与运算增幅器614的输入相连接。
另外图24及图25中，根据分压第1及第(MI+1)电源线之间电压的分压电压和参考电压的比较结果，进行电压调整，但不限于此，例如也可以根据参考电压Vref和输出电压(Vout)的比较结果调整电压。
图26中表示，内置调整升压电路的升压电压后输出电压的电源电路的半导体装置的第2构成例的概要。但是，和图1给出的半导体装置10相同的部分标上相同标记，省略其说明。
图26所示的半导体装置700包括电源电路800。电源电路800和图24所示的电源电路600同样包括升压电路608，可以输出调整升压电路608升压电压后的一个或多个电压(V1，V2，…)。
另外电源电路800包括多值电压生成电路605和比较电路620以及升压时钟生成电路(广义上电压调整电路)810。升压时钟生成电路810，根据其比较电路620的比较结果，进行变更升压时钟(开关控制信号S1～S10)频率的控制。更具体地说，升压时钟生成电路810，根据分压第一及第六电源线VL-1、VL-6(广义上说是第一及第(M+1)电源线)之间电压的分压电压和参考电压Vref的比较结果，改变开关控制信号的频率，以便进行作为升压电路608内第1～第10开关元件的MOS晶体管(广义上是第1～第2M开关元件)的开关控制。
例如，通过提高开关控制信号的频率，将输出电压Vout调整变高。另外通过降低开关控制信号的频率，将输出电压Vout调整变低。
4.在显示装置上的应用下面，就将包括上述升压电路的半导体装置应用于显示装置的实施例进行说明。
图27给出了包括上述升压电路的半导体装置应用于显示装置的应用例。在图27中，给出了作为显示装置的液晶显示装置的组成例。
液晶显示装置900包括半导体装置910、Y驱动器(广义为扫描驱动器)920和液晶显示屏(广义为电光学装置)930。
在液晶显示屏930的面板基板上，可以形成半导体装置910和Y驱动器920中的至少一个。另外，可以将Y驱动器920内置于半导体装置910。
液晶显示屏930包括多条扫描线、多条数据线和多个像素。各像素对应于扫描线和数据线的交叉位置配置。通过Y驱动器920对扫描线进行扫描。通过半导体装置910对数据线进行驱动。即半导体装置910适用于数据驱动器。
半导体装置910可以采用图24给出的半导体装置550或图26给出的半导体装置700。此时，半导体装置910包括驱动部分912。
驱动部分912利用第一电源线和第(M+1)电源线之间的电压驱动液晶显示屏(电子光学装置)930。更具体地说，由电源电路(电源电路600或电源电路800)生成的多值电压被供给给驱动部分912。并且，驱动部分912从多值电压中选择对应于显示数据的电压，向液晶显示屏930的数据线输出该电压。
另外，在Y驱动器920中需要高电压的场合较多，半导体装置910的电源电路，例如向Y驱动器920供给+15V、-15V等高电压。并且，电源电路向驱动部分912供给如输出电压Vout、中间电压(或调整该中间电压的电压)V1、V2、…等电压。
具有这种组成的液晶显示装置的电子设备，可以是多媒体个人计算机(PC)、移动电话、文字处理机、电视、取景器或监视直视型录像机、电子记事本、笔记本电脑、汽车导航装置、手表、钟表、POS终端、具有触摸屏的装置、便携式电子播叫器、微型播放机、IC卡、各种电子设备的遥控器以及各种计测设备等。
另外，液晶显示屏930，就驱动方式而言，可以采用面板本身不使用切换元件的单纯矩阵液晶显示屏或稳态驱动液晶显示屏、采用以TFT为代表的三端子切换元件或以MIM为代表的二端子切换元件的有源矩阵液晶显示屏，就电光学特性而言可以采用TN型、STN型、宾主型、相变型、铁电型等各种类型的液晶屏。
就作为液晶显示屏采用LCD显示板的情况进行了说明，但本发明并不限定于此，例如可以采用电发光显示器、等离子体显示器、FED(Field Emission Display，场致发射显示器)等各种显示装置。
还有，本发明并不限定于上述实施例，在本发明的原则范围内可以进行各种改变。
另外，根据图2、图3、图6、图16、图18、图21、图23、图24～图27，如在开关元件之间或电容器之间加入附加元件的情况也包括在本发明的等同范围。
另外，根据本发明中的从属权利要求的技术方案，也可以省略从属权利要求的组成要件的一部分。另外，根据本发明的一个独立权利要求的技术方案的主要部分也可以从属于其他独立权利要求。
尽管本发明已经参照附图和优选实施例进行了说明，但是，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。本发明的各种更改、变化和等同替换均由所附的权利要求书的内容涵盖。
权利要求
1.一种半导体装置，系将第一及第二电源线间的电压M×N(M＞N，M、N为正整数)倍升压后，生成输出电压的半导体装置，其特征在于包括第一电路，其与所述第一及第二电源线和升压电源线连接，在所述第一电源线和升压电源线之间输出通过电荷泵动作将所述第一及第二的电源线之间的电压升压到M倍得到的电压；第二电路，与所述第一电源线、所述升压电源线及输出电源线连接，包括多个开关元件；第一端子，与所述第一电源线形成电连接；第二端子，与所述多个开关元件中的至少一个开关元件形成电连接；其中，所述第二电路通过采用了连接在半导体装置外部的所述第一及第二端子间的电容器和由所述第二端子连接的所述开关元件的电荷泵的工作，在所述第一电源线和所述输出电源线之间，输出将所述第一电源线及所述升压电源线之间的电压升压到N倍后的电压。
2.一种半导体装置，其特征在于N是2。
3.根据权利要求1所述的半导体装置，包括第三～第五端子，其特征在于所述第二电路包括在所述第一电源线和所述升压电源线之间串联连接的第一及第二输出用开关元件；以及在所述升压电源线和所述输出电源线之间串联连接的第三及第四输出用开关元件；其中，所述第二端子连接在所述输出电源线上，所述第三端子与连接有所述第一及第二输出用开关元件的连接节点形成电连接；所述第四元件与连接有所述第二及第三输出用开关元件的连接节点形成电连接；所述第五端子与连接有所述第三及第四输出用开关元件的连接节点形成电连接。
4.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，还包括第3～第(M+1)(M是大于等于3的整数)的电源线；所述第一电路包括第1～第(M-1)升压用电容器，其中第j(1≤j≤M-1，j为整数)升压用电容器在第一期间中被连接在第j电源线和第(j+1)电源线之间，在所述第一期间经过后的第二期间，连接在第(j+1)电源线和第(j+2)的电源线之间；以及，第1～第(M-2)稳压用电容器，其中第k(1≤k≤M-2，k为整数)稳压电容器连接在第(k+1)电源线和第(k+2)的电源线之间，在所述第二期间中储存从第k升压电容器的各升压用电容器释放出的电荷；所述第(M+1)电源线，连接在所述升压电源线上。
5.根据权利要求4所述的半导体装置，其特征在于所述第一电路还包括在第M电源线和第(M+1)的电源线之间连接的第(M-1)稳压用电容器；所述第(M-1)稳压用电容器，在所述第二期间储存从第(M-1)升压用电容器释放出的电荷。
6.根据权利要求1所述的半导体装置，还包括第3～第(M+1)(M为大于等于3的整数)电源线，其特征在于所述第一电路包括第1～第2M的开关元件，其第1开关元件的一端连接在第一电源线上，第2M开关元件的一端连接在第(M+1)的电源线上，除第1及第2M开关元件以外的剩余的开关元件串联连接在所述第1开关元件的另一端和所述第2M的开关元件的另一端之间，第1～第(M-1)的升压用电容器，其各升压用电容器的一端连接在接有第j(1≤j≤2M-3，j为奇数)及第(j+1)的开关元件的第j连接节点上，该升压用电容器的另一端连接在接有第(j+2)及第(j+3)的开关元件的第(j+2)的连接节点上，以及，第1～第(M-2)的稳压用电容器，其各稳压用电容器的一端连接在接有第k(2≤k≤2M-4，k为偶数)及第(k+1)的开关元件的第k连接节点上，该稳压用电容器的另一端，连接在接有第(k+2)及第(k+3)的开关元件的第(k+2)连接节点上，所述第(M+1)电源线与所述升压电源线连接，第r(1≤r≤2M-1，r为整数)开关元件和第(r+1)的开关元件互斥地被开关控制成导通，在所述第1及第(M+1)电源线之间，输出将第一及第二电源线之间的电压升压到M倍的电压。
7.根据权利要求6所述的半导体装置，其特征在于，所述第一电路还包括连接在第M电源线和第(M+1)电源线之间的第(M-1)稳压用电容器，所述第(M-1)稳压用电容器，在所述第二期间中储存从第(M-1)升压用电容器释放出的电荷。
8.根据权利要求4所述的半导体装置，其特征在于，对各升压用电容器及各稳压用电容器施加所述第一及第二电源线之间的电压。
9.根据权利要求1所述的半导体装置，还包括第3～第(M+1)(M为大于等于3的整数)电源线，其特征在于所述第一电路包括第一及第二电荷泵电路；所述第(M+1)电源线，与所述升压电源线连接，所述第一电荷泵电路包括第一组的第1～第(M-1)升压用电容器，其中第j1(1≤j1≤M-1，j1为整数)升压用电容器，在第一期间连接于第j1电源线和第(j1+1)电源线之间，在所述第一期间过后的第二期间连接在第(j1+1)电源线和第(j1+2)电源线之间；所述第二电荷泵电路包括第二组的第1～第(M-1)升压用电容器，其第j2(1≤j2≤M-1，j2为整数)的升压用电容器，在所述第二期间连接于第j2电源线和第(j2+1)电源线之间，在所述第一期间连接在第(j2+1)电源线和第(j2+2)电源线之间。
10.根据权利要求9所述的半导体装置中，其特征在于所述第一电路包括第1～第(M-2)的稳压用电容器，其第k(1≤k≤M-2，k为整数)稳压用电容器连接在第(k+1)电源线和第(k+2)电源线之间。
11.根据权利要求10所述的半导体装置中，其特征在于，所述第一电路还包括在第M电源线和第(M+1)电源线之间连接的第(M-1)的稳压用电容器。
12.根据权利要求1所述的半导体装置，还包括第3～第(M+1)(M为大于等于3的整数)电源线，其特征在于所述第一电路包括第一及第二电荷泵电路，所述第(M+1)电源线与所述升压电源线连接，所述第一电荷泵电路包括第一组的第1～第2M开关元件，其第1开关元件的一端与第一电源线连接，第2M开关元件的一端与第(M+1)电源线连接，第1及第2M开关元件以外的其余的开关元件串联连接在所述第1开关元件的另一端和所述第2M开关元件的另一端之间，以及，第一组的第1～第(M-1)升压用电容器，其各升压用电容器的一端与连接有第j1(1≤j1≤2M-3，j1为奇数)及第(j1+1)开关元件的第j1连接节点连接，该升压用电容器的另一端，与连接有第(j1+2)及第(j1+3)开关元件的第(j1+2)连接节点连接；所述第一组的第r1(1≤r1≤2M-1，r1为整数)开关元件和所述第一组的第(r1+1)开关元件被开关控制成互斥地导通状态，所述第二电荷泵电路包括第二组的第1～第2M开关元件，其第1开关元件的一端连接在第一电源线上，第2M开关元件的一端连接在第(m+1)电源线上，第1及第2M开关元件以外的其余开关元件串联连接在所述第1开关元件的另一端和所述第2M开关元件的另一端之间；第二组的第1～第(M-1)升压用电容器，其各升压用电容器的一端，与连接有第j2(1≤J2≤2M-3，j2为奇数)及第(j2+1)开关元件的第i2连接节点连接，该升压用电容器的另一端，与连接有第(j2+2)及第(j2+3)开关元件的第(j2+2)连接节点连接；所述第二组的第r2(1≤r2≤2M-1，r2为整数)的开关元件和所述第二组的第(r2+1)开关元件被开关控制成互斥地导通状态，在第一期间中，所述第一组的第r开关元件(1≤r≤2M，r为整数)被开关控制成导通开状态的同时，所述第二组的第r开关元件被开关控制成关闭状态，在所述第一期间过后的第二期间，所述第一组的第r开关元件被开关控制成关闭状态的同时，所述第二组的第r开关元件被开关控制为导通状态。
13.根据权利要求12所述的半导体装置，其特征在于所述第一电路还包括第1～第(M-2)稳压用电容器，其各稳压用电容器的一端与连接有第k(2≤k≤2M-4，k为偶数)及第(k+1)开关元件的第k连接节点连接，该稳压用电容器的另一端与连接有第(k+2)及第(k+3)开关元件的第(k+2)连接节点连接。
14.根据权利要求13所述的半导体装置，其特征在于，所述第一电路进一步包括连接在第M电源线和第(M+1)电源线之间的第(M-1)稳压用电容器。
15.根据权利要求12所述的半导体装置，其特征在于，对各升压用电容器施加所述第一及第二电源线之间的电压。
16.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，包括用于调整电压的电压调整电路，作为所述第一及第二电源线之间电压提供经所述电压调整电路调整过的电压。
17.根据权利要求16所述的半导体装置，其特征在于，所述电压调整电路，根据参考电压与所述第1及第(M+1)电源线之间电压或分压该电压得到的分压电压的比较结果来调整电压。
18.根据权利要求16所述的半导体装置，其特征在于包括电压调整电路，用于根据分压所述第1及第(M+1)电源间的电压得到的分压电压与参考电压的比较结果，改变用于进行所述第1～第2M开关元件的开关控制的开关控制信号的频率。
19.根据权利要求1所述半导体装置，其特征在于包括多值电压生成电路，其根据所述第1及第(M+1)的电源线之间的电压生成多值电压。
20.根据权利要求19所述的半导体装置，其特征在于包括驱动器部分，其根据所述多值电压生成电路生成的多值电压，驱动电子光学装置。
21.一种显示装置，包括多条扫描线；多条数据线；多个像素；驱动所述多条扫描线的扫描驱动器；以及驱动所述多条数据线的半导体装置，其特征在于所述半导体装置包括第一电路，所述第一电路与所述第一及第二电源线和升压电源线连接，通过电荷泵工作，在所述第一电源线和升压电源线之间输出将所述第一及第二的电源线之间的电压升压到M(M是正整数)倍得到的电压；第二电路，与所述第一电源线、所述升压电源线及输出电源线连接，包括多个开关元件；第一端子，与所述第一电源线形成电连接；第二端子，与所述多个开关元件中的至少一个开关元件形成电连接；多值电压生成电路，其基于所述第1及第(M+1)的电源线之间的电压生成多值电压，以及驱动器部分，基于由所述多值电压生成电路生成的多值电压，驱动电子光学装置；其中，所述第二电路，通过采用了连接在半导体装置外部的所述第一及第二端子间的电容器和由所述第二端子连接的所述开关元件的电荷泵的工作，在所述第一电源线和所述输出电源线之间，将所述第一电源线及所述升压电源线之间的电压升压到N((M＞N，N为正的整数)倍，并将所述第一及第二电源线之间的电压升压到M×N倍后，生成输出电压。
全文摘要
本发明涉及一种半导体装置及显示装置，第一电路(20)，连接在第一及第二电源线VL－1、VL－2和升压电源线VLU上。将第一及第二电源线VL－1、VL－2之间的电压升压到M(M是正整数)倍的电压在第一电源线VL－1和升压电源线VLU之间输出。第二电路(30)连接在第一电源线VL－1、升压电源线VLU及输出电源线VLO上，且，包括多个开关元件。第二电路(30)通过采用了在半导体装置外部设置的第一及第二端子T1、T2间连接的电容器C和第二端子T2上连接的开关元件的电荷泵的动作，在第一电源线VL－1和输出电源线VLO之间输出将由第一电路(20)生成的电压升压至N倍(M＞N，N是整数)得到的电压。
文档编号G02F1/13GK1573897SQ20041004817
公开日2005年2月2日 申请日期2004年6月21日 优先权日2003年6月19日
发明者上条治雄 申请人:精工爱普生株式会社