（凝聚态物理专业论文）cmos模拟集成温度传感器的设计.pdf

摘要 m o s 管和双极型晶体管都具有温度传感的性质，后者相比之下具有更好 的性能，并在实际中已有广泛的应用。现今，c m o s 工艺己成为主导工艺，为 了允许在同块芯片上进行信号调节和处理，许多设计从双极型转向c m o s 型。 由于c m o s 温度传感器的部分性能仍不及双极型温度传感器，如容易受到温 漂、管子不匹配的影响等，因此设计出一种具有高性能、低功耗、低成本的 c m o s 集成温度传感器已成为温度传感领域的一个重要课题。 本文先设计了一种高性能的c m o s 模拟集成温度传感器，并在电路中设 计了e s d 保护电路和启动电路，以保证电路工作点正常与性能优良。该电路 具有结构简单、工作电压低、电源抑制比高和线性度良好的特点。采用h s p i c e 对该温度传感器电路进行了模拟仿真，仿真结果表明其电源抑制比可以达到 6 4 d b ，在- 5 0 1 5 0 温度范围内，电压温度系数可以达到2 9 m v k ，线性度 良好。 而后在原集成温度传感器电路研究成果的基础上，设计了一种用于c m o s 集成温度传感器二次非线性项修正的曲率校正电路，该电路有效解决了c m o s 温度传感电路中电阻温度系数和p n 结电压二次非线性项对输出线性度的影 响。应用了该校正电路的c m o s 温度传感系统已在o 6 p , m 标准c m o s 工艺中 研制实现，实验结果表明在5 0 c + 1 5 0 c 的温度范围内该温度传感系统的最 大误差小于1 ，5 。 该研究的成果可用于一些高精度的应用场所，比如冷暖空调、医疗仪器 自检测系统等诸多领域中，具有显著的研究意义和广泛的应用前景。 关键词：c m o s 模拟集成温度传感器：p t a t ；二次非线性 a b s 仃a c t a l t h o u g hb o t hm o sa n db i p o l a rt r a n s i s t o r sh a v ep r o p e r t i e st h a tc o u l db eu s e d f o rt e m p e r a t u r es e n s i n g , t h el a t t e rh a ss h o w nm u c hb e t t e rp e r f o r m a n c ef o rt h i s p u r p o s e t h i sf a c te x p l a i n sw h yu pt on o wb i p o l a rs o l u t i o n sw e r ep r e f e r r e d s i n c e c m o si ss t i l lt h em o s te x t e n s i v e l yu s e dt e c h n o l o g y , t h ei n t e g r a t i o no f t e m p e r a t u r e s e n s o r si nc m o s t e c h n o l o g i e si sp r e f e r r e dt oa l l o ws i g n a lc o n d i t i o n i n ga n dd i 鲫 p r o c e s s i n go nt h es a r u ec h i p h o w e v e r , t h ee x i s t i n gc m o s c o m p a t i b l et e m p e r a t u r e s e n s o r ss t i l ls u f f e rf r o man u m b e ro fs p e c i f i cp r o b l e m ss u c h 蹈o f f s e t ，d r i ra n d p r o c e s sv a r i a t i o n s ，s or e s e a r c ho fc m o s c o m p a t i b l et e m p e r a t u r es e n s o r sw i t h m g h a c c u r a c y , l o w - p o w e r , l o w c o s tb e c o m e sai m p o r t a n ts u b j e c t i nt h i sp a p e ra h i 曲a c c u r a c yc m o st e m p e r a t u r es e n s o ri sp r e s e n t e d i no r d e rt o a s s u r et h ec i r c u i t sn o r m a l l yo p e r a t i o na n dg o o da c c u r a c ge s da n ds t a r t - u pc i r c u i t a r ed e s i g n e d t h i sc i r c u i tf o c u s e so nt h ea c h i e v e m e n t s o f e a s y - s t r u c t u r e ， l o w - v o l t a g e ，h i g h - p s r ra n dg o o d - l i n e a r i t y , e t c h s p i c es i m u l a t i o na p p r o v e st h a t i t sp s r rc a l la c h i e v e6 4 d b ，t h ev o l t a g e t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n tu n d e rt e m p e r a t u r e o f 一5 0 。c 1 5 0 。cc a l la c h i e v e2 9 m y k , a n di t sl i n e a r i t yi sa l s og o o d b a s e do nt h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t s ，ac u r v a t u r ea l t e rc i r c u i tu s e dt oa d j u s t c m o si n t e g r a t e dt e m p e r a t u r es e n s o r sq u a d r a t i cn o n - l i n e a rt e r mi sp r e s e n t e d t h i s c i r c u i tc a ns o l v et h ep h e n o m e n at h a tr e s i s tt e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n ta n dp n j u n c t i o n v o l t a g e sq u a d r a t i cn o n - l i n e a rt e r mi n f l u e n c eo u t p u t sl i n e a r i t y t h i st e m p e r a t u r e s e n s o rh a sb e e nr e a l i z e du n d e r0 6 m nc m o s p r o c e s s t e s t i n gr e s u l ts h o w st h a tt h e m a x e r r o r u n d e r t e m p e r a t u r e o f 5 0 1 5 0 c a n b e l o w1 5 c t h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t sc a nb eu s e df o rs o m eh i i g ha c c u r a c ya p p l i c a t i o n s ， j u s ta sc o l d - w a r ma i rc o n d i t i o n ，m e d i c i n ei n s t r u m e n ta n ds e l f - c h e c k i n gs y s t e m s ，e t c i na w o r d ，i th a sas i g n i f i c a n tr e s e a r c hm e a n i n ga n de x t e n s i v ea p p l i c a t i o np r o s p e c t k e y w o r d ：c m o sa n a l o gi n t e g r a t e dt e m p e r a t u r es e n s o r ；p t a t ；q u a d r a t i cn o n - l i n e a r t e r m 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。 本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以 明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文而产生的权利和责任。 声明人( 签名) ：胁汕 wz 年，月- 日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大学有 权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电子版，有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，有权将学位论文的 标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ) ( 请在以上相应括号内打“4 ”) 作者签名：钟她日期：】一z 年月) - - n 导师签名：云t 2 挣札日期：2 ，。年6 月b 自 第一章绪论 第一章绪论 随着人类生产方式的不断进步，人们越来越重视对于信息的感测和采集，传 感器处于被研究对象和测试系统的接口位置，其性能直接影响整个系统的工作质 量。传感器技术因而成为许多应用技术的基础环节，成为当今世界发达国家普遍 重视并大力发展的高新技术之一，它与通信技术、计算机技术共同构成了现代信 息产业的三大支柱。美国在空军2 0 0 0 年报告中列出了1 5 项有助于提高2 l 世纪空军能力的关键技术，其中传感器被列为第二项：日本科技厅制定的十大科 技发展项目中，传感器被排在首位；我国的“八六三”计划、科技攻关计划等也将 传感器的研究放在重要位置【l - 4 1 。 传统的传感器技术已经达到其技术极限。它的性价比不可能再有大的提升， 主要在以下几个方面存在严重不足【2 】： 因结构尺寸大，而时间( 频率) 响应特性差； 输入一输出特性存在非线性，而且随时间漂移； 参数易受环境条件变化的影响而漂移； 信噪比低，易受噪声干扰； 存在交叉灵敏度，选择性、分辨率不高。 以上不足是传统传感器性能不稳定、可靠性差、精度低的主要原因。它的“手 工艺品”式的制作过程、制作材料的多品种和高性能的要求是成本价格高的原因。 随着自动化领域的不断扩展，需要测量的参量日益增加，而且一些特殊领域 需要传感器小型化和轻量化。特别是由于自动控制系统的飞速发展，对传感器进 一步提出了数字化、智能化、集成化和标准化的紧迫需求。 现在数字化、智能化、集成化和标准化己成为当今传感器技术发展的主流。 目前标准c m o s 技术与传感器技术相结合已经获得巨大成功。这是由于 c m o s 技术通过微型化和信号电路集成化，使传感器系统能够在缩小体积，增加 功能的同时实现输出的标准化；再者，由c m o s 技术批量生产制造的传感器成 c m o s 模拟集成温度传感器的设计 本不断降低，且更具竞争力；第三，c m o s 传感器系统能与i c 技术紧密结合， 从而使真正意义上的智能化传感器系统成为可能。总之通用的标准c m o s 工艺 技术所固有的微型化、集成化和标准化特点与传感器系统的发展方向是不谋而合 的，其批量生产的低成本和低功耗特点又使其具有广阔的市场前景。 1 1 传感器实现的途径 目前传感器技术的发展主要是沿着三条途径实现智能化的。 1 1 1 非集成化实现 非集成化智能传感器是将传统的经典传感器( 采用非集成化工艺制作的传感 器) 、信号调理电路、带数字总线接口的微处理器组合为一个整体而构成的智能 传感器系统。如图1 1 所示。 怿传赫h 信磐粤h 徽铲 总缝 妻e 二 口 l 图1 1 非集成化智能传感器框图 数据总线 在图1 1 中的信号调理电路是用来调理传感器输出的信号的，即将传感器输 出信号进行处理并转换为数字信号后送入微处理器，再由微处理器通过数字总线 接口挂接到现场数字总线上。这是一种实现智能化传感器系统的最快途径和方 式。 1 1 2 集成化实现 集成智能传感器系统是采用微机械加工技术和大规模集成电路技术，利用硅 作为基本材料来制作敏感元件、信号调理电路和微处理单元，并把它们集成在一 块芯片上面构成的，故又称为集成智能传感器( i n t e g r a t e ds m a r ts e n s o r ) 。 第一章绪论 随着微电子技术的飞速发展、微米纳米技术的问世和大规模集成电路工艺 技术的完善，集成电路器件的密集度越来越高，已经成功地将各种数字电路芯片、 模拟电路芯片、微处理器芯片、存储器电路芯片等的价格性能比大幅度下降。反 过来，它又促进了微机械加：【技术的发展，形成了与传统的经典传感器制作工艺 完全不同的现代传感器制造技术。 1 1 3 混合实现 根据需要与可能，可将系统各个集成化环节，如：敏感单元、信号调理电路、 微处理器单元和数字总线接口，以不同组合方式集成在两块或三块芯片上，并装 在一个外壳里。 信号调理电路包括多路开关、放大器、基准源、模，数转换器( a d c ) 等。 微处理器单元包括数字存储器( e p r o m ， r o m ，r a m ) ，i o 接口、微处理 器、数模转换器( d a c ) 等。 1 2 研究背景 1 2 1 温度传感器的分类 温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。世界上第个把温度变成 电信号的传感器是由德国物理学家赛贝1 8 2 1 年发明的热电偶传感器；5 0 年后， 德国人西门子又发明了铂电阻温度计。随着半导体技术的发展，本世纪相继开发 了半导体热敏电阻传感器、p n 结温度传感器和集成温度传感器。此外，根据波 与物质的相互作用规律，还相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感 器等。 各种与温度有关的物理量( 如热膨胀、电阻、热电动势、磁性、电容、光学 特征、弹性、热噪声等) 都可做为温度测量器件的理论基础。温度传感器大致可 分为非接触式和接触式两大类。接触式的温度传感器是通过传感器本身与被测物 体的直接接触来测量物体的温度，常见的有热电耦、热敏电阻、铂热电阻、双金 属片、光纤、半导体、磁性等温度传感器。非接触式的温度传感器则是通过监测 c m o s 模拟集成温度传感器的设计 物体热辐射发出的红外线或光来测量物体的温度，常见的有量子转换型和热红 外线型2 1 。尽管温度传感器的种类很多，但有各自的优缺点以及所适合的应用场 合，在表1 1 中列出一些温度传感器的基本原理和特点。 表1 1 部分温度传感器类型的特点 类利用的物优点缺点 型理量 热阻抗温度系数高，尺寸小，测温灵敏度高，响应测温范围不够宽，线性差，需要补偿 敏快，低成本电路 电 接 阻 热热电动势易于测量、调节、放大、转换，车辆方法简测量环境有一定局限性，测温精度 触 电单，测温范围宽( 2 7 0 1 2 2 3 0 0 c ) ，能进低，需参照己知温度，需校正，有效 耦行远距离测量，成本相对较低，无滞后寿命短，输出讯号小 方 铂 阻抗精度高，互换性培好，稳定性高，输出线性灵敏度仅为热敏电阻的1 0 价贵， 式 电信号，测温范围广，体积小，阻值高，响应为确保电阻桥精度，要求电阻精度高 阻卓越6 7 倍，生产难度大 双体积能记录、报警，可自动控温，测温范围为触点的磨损影响双金属片工作和温 金7 0 5 4 0 度自动控制 属 片 光光纤传播可在高、低温( - 2 0 0 1 2 - - 2 0 0 0 ( 2 ) 化学腐成本高 纤 特性蚀性强，电磁干扰严重的恶劣环境中进行测 接 温 半p n 结特精度高、体积小、复现性好、易操作、易集测温范围窄 触 导性成 方 蚀 式 第一章绪论 非热吸收红外能在室温下工作( 测温范围2 0 0 较量子转换传感器灵敏度低，响应 红线 2 0 0 0 。c ) ，灵敏度对波长无选择慢，在辐射吸收范围内易误动，辐射 接 外影响犬，价贵 线 触 量光电导效灵敏度高、响应速度快高温连续测量需水冷却，需空气净化 方 子应，光生环境，灵敏度对波长有选择 转伏特 式 换 如上表中所示，制作温度传感器的材料有多种选择，如金属导体、半导体、 电介质、有机高分子材料等，现在运用最广泛的是传统金属电阻温度传感器和半 导体温度传感器。 传统的金属电阻温度传感器缺点很明显：制作和标定非常烦琐、体积大、价 格贵、应用场合有限等。虽然金属热敏电阻阻值与温度之问在更大的温度范围内 具有更为优良的线性关系。只是由于沿着传统思路制作的金属热敏电阻温度传感 器在体积大小，制作复杂性等方面都存在不可克服的问题。 半导体热敏电阻温度传感器虽然具有微小化和集成化等优点，但需要许多线 性化修正工作，且都具有工作范围的局限性。而c m o s 技术则正好解决了传统 热敏电阻温度传感器在体积，制作等方面的诸多问题，并且继承了半导体热敏电 阻温度传感器微小化和集成化的所有优势，并获得了巨大的成功 5 叫9 】。 温度传感器的主要性能参数有【5 l ： 对于温度的精确度 敏感度 线性度 温度变化范围 长期稳定性 信号模式 c m o s 模拟集成温度传感器的设计 对工艺容忍度的独立性 绝对校正 噪声抑制能力 功耗 成本 1 2 2 温度传感器的发展 当前，温度传感器技术朝着高精度、高可靠性、宽测量范围、微型化及微功 耗方向发展，并不断开发出一些能在特殊环境下工作的温度传感器，如可在高低 温( - 2 0 0 口( 2 2 0 0 0 。c ) 、化学腐蚀性强、电磁干扰严重的恶劣环境中工作的光纤 温度传感器。此外为适应微集成系统的发展，温度传感器技术正趋向于数字化、 集成化和智能化发展的发展方向【”。 “数字化”表示温度传感器的输出不再是单一的模拟信号，信号经过放大、a d 转换、线性化后变成纯数字信号，该数字信号可以通过各种标准的接口形式( 如 1 2 c 、u s b 等) 与微控制器相连。“集成化”表示温度传感器将辅助电路中的元件 与传感元件集成在同一块芯片上，使之具有校准、补偿、自诊断和网络通信的功 能，其测量准确度高，体积小，功耗小成本低，更适合应用于集成电路系统。c c 智能化”表示温 度传感器是一种带微处理器的传感器，是微型计算机和传感器相结合的成果，它 兼有检测、判断和信息处理功能，与传统温度传感器相比有很多特点：( 1 ) 具 有判断和信息处理功能，能对测量值进行修正、误差补偿，因而提高了测量精度； ( 2 ) 可实现多点温度测量；( 3 ) 测量数据可存取，便于进一步提高设备分析、 预测的智能化程度；( 4 ) 有标准数据通信接口，能与微型计算机直接通信。 1 2 3c m o s 集成温度传感器的研究进展 虽然双极型温度传感器在当前市场上依然保持优势，但它与标准数字工艺不 兼容，成本相对较高，电源与功耗无法进一步降低，也无法和其它c m o s 芯片 集成。于是随着c m o s 制造工艺的成熟促成了现今高性能c m o s 温度传感器的 迅速发展。发展c m o s 温度传感器的必要性可归纳为以下几点： 第一章绪论 ( 1 ) c m o s 工艺已成为当前的主导工艺，所以在标准c m o s 工艺下将温度传感 器和其它电路相结合，不仅可以减少电路的复杂程度，还能降低封装价格， 实现低成本的大批量生产，从而具有更强的市场竞争能力【5 1 。 ( 2 ) c m o s 集成温度传感器具有低电源、低功耗、芯片占用面积小、与标准工 艺兼容、并易于在同一芯片上进行信号调节和信号处理的优点。 ( 3 ) 由于现今的c m o sv l s i 处理芯片系统变得越来越复杂( 纳米线宽，高密 度，高集成) ，导致芯片的功耗散热问题越来越突出。在构思散热方案的同时， 在芯上集成温度传感器准确地侦测系统或单一芯片的温度变得非常重要。在 这种背景下，集成c m o s 温度传感器显示出它独特的优势。 1 3 温度传感器的应用领域 温度传感器的性能还由其应用领域的许多因素决定，如外部环境( 物理和电 学的) 、电源供电方式等。总的来说，温度传感器主要应用于以下几个领域6 ： 感测应用：温度传感器的热转换方式经常被用来测量物理量( 如流量、辐射、 气体压力、气体种类、湿度、热化学反应等) 。所有的这些传感器的测量值都以 热形式为媒介并以电信号的方式输出。 生物医学应用：生物医学的应用必须使用特殊的温度传感器，其中最重要的 特性是要求低功耗、长期稳定性好、可靠性高以及在3 2 c 4 4 c 之间精确度小 于0 1 。 太空应用：热敏电阻以及硅p n 结己经使用于太空温度测量。利用分立的模 拟和数字接口电路从感测元件读取温度信息对于低成本、低重量的使用情况越来 越不适用，尤其在微米纳米卫星中更难满足需要。具有数字输出功能的智能温 度传感器可应用于未来的卫星设计中，并能传送与微处理器兼容的数字信息。 工业应用：集成温度传感器在自动化应用和微生物体热检测应用己有报道。 尽管它们的特性和需求根据每个特殊的应用而变化非常大。对于低成本、长期稳 c m o s 模拟集成温度传感器的设计 定性和可靠性、强大的数字接口以及通讯系统等这些特殊的应用需求，目前的智 能温度传感器都可满足。 消费产品应用：低成本集成温度传感器与变送器己经出现，而且被应用于消 费产品中，如洗衣机、冰箱、空调等。低成本、无需外部部件、制造时简单的片 上校正等是消费产品应用的特殊需求，并且在一2 0 1 0 0 之间测量精度要能 达到0 5 。 1 4c m o s 温度传感器的几种设计方法 对于c m o s 温度传感器的设计，依据不同的传感原理人们也提出了不同的 设计方法。 在1 9 8 8 年，m i d d e l h o e k 提出一种构造m o s 传感器的可能性，就是利用m o s 晶体管在弱反型区的饱和漏电流随电压呈指数关系的特性，用类似经典的双极型 p t a t 电路方法可以构造c m o s 温度传感器【2 0 】。采用这种原理，a r a b i 和k a m i n s k a 于1 9 9 5 年研制成功了一种模拟电压输出的c m o s 温度传感器，温度灵敏度为 1 3 2 m v k 。但该类型的温度传感器性能主要会受到高温下的漏电流和阈值电压 容差的限制 2 l 】。1 9 9 8 年，有人利用m o s 晶体管阈值电压所和增益因子卢的温 度性质研制出一种c m o s 温度传感器，该传感器面积约为0 0 2 m m 2 ，功耗为2 0 0 _ w ，在- - 4 0 。c 至41 2 04 c 中精确度约为士2 【捌。随后，em i r i b c l c a t a l a 将同样原 理的m o s 温度传感器应用在b c d 工艺( 混合模拟数字工艺，包括双极型、c m o s 和d m o s 器件) ，发现它可以不受d m o s 功率晶体管工作在交流状态下引起的 衬底耦合效应的影响【2 3 】。 此外，还有基于环形振荡器的c m o s 温度传感器 2 4 - 2 s ，其主要原理是利用 受温度影响的电阻决定振荡器的冲放电电流，进而得到与温度近似成线性关系的 振荡频率。通常这种方法研制出的c m o s 温度传感器只能提供约3 c 的精确度， 而且占用的面积也较大( i b m 工艺下约o 1 m m 2 ) 。1 9 9 5 年，有人还提出一种基 于单晶硅内部热扩散常数的温度性质的c m o s 温度传感器，并用于控制微电子 结构的热状态【2 6 】。它是以单晶硅的内部熟扩散常数作为温度灵敏元，用热时延线 第一章绪论 控制振荡器的反馈元，并由振荡频率反映温度值的大小。不足之处是需要近 l o - - 1 5 m w 的功耗来驱动热延迟线和耗散晶体管。 1 5 国内外c m o s 温度传感器的发展、现状和未来 将c m o s 技术与传感器技术结合起来是近些年来兴起的技术，在国外由于 有良好的半导体产业基础，c m o s 温度传感器的设计和生产都已经达到较高的水 准，比如s m a r t e c 公司【7 生产的系列产品工作温度范围可以达到5 c 1 3 0 c ，精 确度为士o 7 ，功耗小于l m w ，并且是智能化数字输出，无需再进行a d 转换。 目前国外c m o s 温度传感器的温度测量范围最高达到了5 c 1 7 7 9 c ，精度最 高达到了士o 1 【6 l 。 国内由于半导体产业基础相对薄弱，因此在c m o s 温度传感器的研究和生 产方面尚处于起步阶段，还没有产品在市场上出现 近年来随着c m o s 工艺特征尺寸的不断减小，工艺水平的不断提高。并且 c m o s 工艺相对于双极和b i c m o s 工艺更容易获得，而且通过多目标晶圆 ( m u l t i - p r o j e c t w a f e r ) 服务，高校、研究所和中小型公司可以获得廉价的c m o s 工艺流片( t a p eo u t ) 服务。因此更加促进了c m o s 传感器的研究与发展。 本课题采用c s m c ( c s m c ：华润上华科技有限公司无锡华晶上华半导体制 造公司) o 6 u m2 p 2 mc m o s 标准工艺实现集成温度传感器的设计。该工艺的基 本技术参数如表1 2 所示。 表1 2c s m c0 6 u m 工艺技术参数 参数n m o sp m o s 8 8 5 4 e 1 4f c m8 8 5 4 e 1 2f m 占o 3 9f e r a3 9 f 咖 占“ 瓦 1 2 5 e 8m1 3 e 8 m c m o s 模拟集成温度传感器的设计 c o 4 v t ，则在亚阈值工作状态下的 m o s 场效应晶体管漏极电流坫可由等式( 2 1 ) ，( 2 _ 2 ) 表示【”， 小喘2 簪d 华b 2 簪d 华 ( 2 1 ， 其中，珥：坚，。为表面势垒，九为费米势，占。；为s i 的介电常数，a r c h 为沟 c 道掺杂浓度。在这里我们认为丸= 2 庐b ， 铲嘏2 哥d 半 眨z ， 在b s i m 3 v 3 模型中，v o f f 为修正常数项。因此比较式( 2 1 ) 与( 2 2 ) ，当漏 极电流南相等时，得到 第二章m o s f e t 的亚闽值温度模型与c m o s 工艺中的b j t 和电阻 堡当堕当) 旦：丸一2 九 ( 2 3 ) n 表面势垒丸以及费米势九与温度r 的关系可由文献【2 】得到，则有 与 删= 俐专一3 k g e _ r t 蚓+ 掣一掣寺 4 ， 删= 删乏一百3 k t ，n + 掣一掣昙旺s ， 由等式( 2 4 ) ( 2 5 ) ，把丸一2 九作为温度函数有 丸仃) 一2 九( 力= 酞阮) 一2 九瓴) 】丢 ( 2 6 ) 因此对于给定的漏极电流，根据等式( 2 3 ) 有 。仃) = 仃) + + 端 r o 。瓴) 一瓴) 一e i t ( 2 7 ) 假定n p ) 随温度变化很小( 即打仃) * n ( t o ) ) ，以及建模闽值电压为 。仃) = ( t o ) + k t ( r t o i ) ，且j - ( t 0 。则对于我们得到 其中 哪) 岷卧k 。( 引 汜s ， x 。兰k ，+ 。瓴) 一。瓴) 一。 ( 2 9 ) 1 5 - c m o s 模拟集成温度传感器的设计 对于典型值的k ，、，和。一。，氏是负数，当漏极电流j 。固定时，。 将会随温度的升高而降低。 虽然亚阈值工作的m o s 管功耗非常低，但是对于m o s 管的亚阈值特性 模型的研究目前并不十分完善，亚阈值状态的不稳定性及其随工艺变化较大的 弱点限制了它的应用。因此目前作为集成温度传感器的感温元件较多使用的是 下面将要讨论的衬底p n p 双极型晶体管。 2 2c m o s 工艺下的双极型晶体管( b j t ) 硅双极型晶体管b e 结势垒( e ) 是一个与温度相关的量，并且具有很 好的稳定性。这个特性可以应用于集成温度传感器和带隙式电压基准源当中。 由于低成本、优良的长期稳定性和对温度有高的灵敏度以及可预测性，制造上 与c m o s 工艺良好的兼容性及其能获得低功耗等特点而使双极型晶体管被认 为是作为温度传感器最有吸引力的器件【3 】o c v b t ! c l e f t 图2 1c m o s 纵向晶体管c v b t 和横向晶体管c l b t 的剖面 在c m o s 工艺中有两种方式能实现p n p 双极型晶体管，分别为纵向p n p 管c v b t 和横向p n p 管c l b t ，其结构如图2 1 所示。纵向p n p 管也叫衬底 p n p 管，n 阱中的p 十区( 与p f e t s 的漏源区相同) 作为发射极，n 阱本身作为 基区。p 型衬底作为集电区，并且必然接到最负的电源( 通常为地) 。 2 2 1 衬底p n p 管临信号 对于衬底p n p 管，理想情况下其集电极电流与e b 结电压的关系在正向 第二章m o s f e t 的阈值温度模型与c m o s 工艺中的b i t 和电阻 偏置时( 如图2 2 所示) ，可由式( 2 1 0 ) 嗍给出( 忽略晶体管基极电流后，且 集电极电流尼等于发射极电流丘) ，。= i se x p ( v e b 咋) ( 2 1 0 ) 其中= k t q ，式中i s 为晶体管发射极反向饱和电流，正比于“尼砌，2 ，其中 甜为少数载流子迁移率，为硅的本征载流子浓度。 - 图2 2 晶体管基射结电压 同二极管一样，正向电压b 可以用温度信号来测量，表示为 = 烈 在p n p 晶体管中，厶的值是一个强烈依赖温度的量【5 1 ，可以表示为 = 嘶2 瓦k t a , ( 2 1 2 ) 其中，t 为绝对温度，单位为k ；a 。为发射极面积；o ) b 为基区宽度； 为 基区掺杂浓度；五。为基区少数载流子平均迁移率。 五p b ，n i 是与温度相关的量，可以近似表示为 c m o s 模拟集成温度传感器的设计 咖c t e n 。 t 3 2e x p ( - 岳 旺 a d b = c m 。r 1 ( 2 1 4 ) 其中，是硅的带隙电压( 室温时z 1 1 2 v ) ，m 是有效迁移率指数( 对 于空穴m = 2 2 ，对于电子m = 2 4 2 ) ，c t e i l i 与c t e 是温度非相关常数。 为了获得一般性表达式，我们通常使用集电极电流七的温度相关等式表 示，这个实际等式相对于前面的公式简单许多8 ，9 1 ，如下 护鲥 ( 2 1 5 ) l 1 0 其中口为温度指数，如。是集电极在温度死时的电流。则瞻。变为 = 嘶h 。( 枷c t e a 。f f o r ，一爿 其中y = 4 - m ，z t = k t q 。在时，e - b 结势垒f e b 变为v e b 0 督铲争。i 即c t e a 地, t o r 晓m 其中，d 是硅在温度时的带隙势垒。式( 2 1 6 ) 即为晶体管e - b 结压 降陆与温度的关系式。式中p 一口，巧n ( 秀 对温度的变化并不显著；而 坼= k t q 项与温度成正比。由此可见，赡b 大体上随温度减小而线性增大。 当线性外推到绝对零度时，达到硅的带隙电压值咋。= 1 2 0 5 v ，如图2 3 所 示。 第二章m o s f e t 的阈值温度模型与c m o s 工艺中的b j t 和电阻 1 2 0 5 隆 图2 3 晶体管基射结电压温度特性 2 2 2 与绝对温度成i e v 的电压咖 在1 9 6 4 年人们认识到”0 1 ，如果两个双极型晶体管工作在不相等的电流密 度下，那么它们的基极发射极电压的差值就与绝对温度成正比。例如，如图 2 4 所示， 图2 4p t a t 电压产生电路 如果两个同样的晶体管( i s l = i s 2 ) 偏置的集电极电流分别为，面和i o 并忽略 它们的基极电流，那么可以得到 c m o s 模拟集成温度传感器的设计 = ，一：= v r r i n n 。i 。s 1 一h 皂2 ( 2 1 8 ) 1 s 2 这样，p r e b 的差值就表现出正温度系数： 坠：n( 2 1 9 ) c 3 t q 可以看到，这个温度系数与温度或集电极电流的特性无关，即差值p 岛将会是 一个与绝对温度成正比( p r o p o r t i o n a lt oa b s o l u t et e m p e r a t u r e ) 的量。但在实 际应用中，有几个主要的非理想因素影响着衬底双极型p n p 晶体管p t a t 电压 的特性，分别是：寄生串联电阻、电流增益变化、大注入以及e a r l y 效应阶】。 2 2 2 1 串联电阻 二极管连接形式的衬底p n p 双极型晶体管存在着发射极、集电极以及基极 寄生串联电阻，在基极和发射极寄生串联电阻上的电压降将会叠加到本征e b 结压降上，这将会导致p t a t 电压存在一个失调电压，在温度传感器中，该失 调电压将反映到温度失调上。当基区串联电阻为典型值1 0 0 t 2 时产生o 6 4 c 失 调，串联电阻越大则失调越严重。 为减小串联电阻带来的误差，可以采取三个方面的措施： 1 改变晶体管的几何尺寸以减小串联电阻( 如利用多指结构，或并联晶 体管结构) ； 2 降低偏置电流，但这将会增加噪声以及对干扰的敏感度； 3 利用三电流技术，或类似技术对串联电阻进行补偿。 2 2 2 2 电流增益变化 大信号电流增益屏将随温度的增加而增加，随发射极电流的增加而降低。 第二章m o s f e t 的亚阈值温度模型与c m o s 工艺中的b j t 和电阻 当电流增益屏随射极电流拓变化时，两匹配晶体管集电极电流比率将不能严 格等于发射极电流比率，这同样会影响p t a t 电压的线性度。在电流小于1 0 p a 时，屏将会随厄的增加迅速下降而产生大的误差。为避免电流增益变化 带来的误差，可采取如下措旌： 1 发射极电流大小必须接近于电流增益相对变化小的区域； 2 补偿基区电流或通过测量该电流间接决定集电极电流比率。 2 2 2 3 大注入效应 当发射极电流密度大时，基区少子浓度与多子相比较己经不能忽略，这个 效应叫大注入。在大注入的影响下，i n ( 。) 随的变化斜率将会由k t q 变为 2 k t q 。在这个区域，精确的p t a t 温度测量将变得不可行。 同时大注入将会导致电流增益降低。文献 8 ，9 】研究表明，当发射极电流在 小于1 0 p a 数量级时该效应可以忽略，或当电流偏大时增加发射极面积则同样 可以避免大注入效应的影响。 2 2 2 4e a r l y 效应 e a r l y 效应描述了由e - b 结以及c - b 结电压变化引起的基区宽度调制效应。 在g u m m e l p o o n 模型中，e a r l y 效应分别由正向e a r l y 电压“和反向e a r l y 电压来表示。本征e - b 结压降会受这两个电压的影响，为 吃= 杈 霄v c b 铡 其中，本征c - b 结压降吃 k ，本征e - b 结压降吃 。典型值呱2 1 0 0 v ，= i o v 。在这里，并不是晶体管工作于反向有源区的e a r l y 电压， 而是正向偏置的e - b 结的e a r l y 电压。模型中存在的反向e a r l y 电压将会使得 c m o s 模拟集成温度传感器的设汁 衬底p n p 双极型晶体管不能精确的设计。电路。由于正向e a r l y 电压吆很 大，因此它对我们设计的。电路的影响能够忽略，式( 2 2 0 ) 可以改写成 = 蒜n 汜z ， 由式( 2 2 1 ) 可知反向e a r l y 电压将会引起较大的偏差，在室温时该偏差的等 效温度误差为0 3 。c 。 2 3c m o s 工艺下的电阻 在大温度变化范围的测量中，电阻随温度变化而产生的影响已经不能忽 略。在c s m c0 6 9 m c m o s 工艺下，有六种电阻可以选择： 1 ) n w e l l 电阻 2 ) n + 离子注入电阻 3 ) p + 离子注入电阻 4 ) p o l y l 电阻 5 ) p o l y 2 电阻 6 ) h r ( p o l y 2 ) 电阻 表2 1 是六种电阻的各种系数： 表2 1c s m c0 6 u mc m o s 工艺六种电阻参数 t y p er s h ( o h n v s 0 3a l l ( u r n )d w ( u r a ) v c lv c 2t c lt 0 2 n w d l8 4 9 0 60 2 4 81 3 9 98 4 8 e - 39 8 2 0 _ 45 2 4 e - 39 5 6 e - 6 n p l u s 7 9 1 0- 0 2 4 603 6 61 0 5 e - 3l3 4 e - 3 1 7 3 e - 3 6 1 7 e _ 7 第二章m o s f e t 的亚阈值温度模型与c m o s 工艺中的b j t 和电阻 p p l u s 1 2 1 7 1- 0 9 2 50 4 0 0- 2 3 5 e - 37 2 2 “94 0 e _ 41 4 0 e - 6 p o l y l 2 75 30 1 6 70 2 1 22 - 3 2 e 41 3 7 争37 7 5 c 434 2 e - 7 p o l y 2 2 7 7 50 2 7 90 4 1 911 9 e 32 5 6 e , - 370 8 e - 425 3 e 一7 h r ( 5 k 、 4 5 4 56 81 1 4 400 5 52 6 6 e - 31 8 1 e - 3- 4 6 8 e - 3 1 5 8 e - 5 h h l ” 9 9 5 7 9 21 4 4 3 0 1 6 243 6 e - 3 2 7 3 e - 3，3 0 4 e - 31 1 5 e - 5 电阻计算的表达式为 r = 坩 而l - d l1 1 i + 坩1 l 刮+ w 2 咖2 1 1 + 耙1 ( t - t n o m ) + 地2 ( t - t n o m ) 2 ) ( 2 2 2 ) 其中，r s h 为方块电阻；，为长度；w 为宽度；v c l ，v c 2 为电压系数；t c l ， t c 2 为温度系数；t 为温度：t n o m 为室温2 5 * ( 2 。为降低电阻随温度和电压变化 对传感器的影响，因此选用温度系数小的晶硅电阻p o l y 2 ，由于其方块电阻小， 所以带来的负面影响是占用较大的芯片面积，但其使电路性能成倍提高的优点 弥补了占用大面积的缺点。 c m o s 模拟集成温度传感器的设计 参考文献： 1 g g i u s t o l i s i ，cp a l u m b o ，mc r i s c i o n ee ta 1 al o w - v o l t a g el o wp o w e rv o l t a g er e f e r e n c eb a s e do n s u b t h r e s h o l d m o s f e t s j i e e ej o u r n a l o f s o l i d s t a t e c i r c u i t s ，2 0 0 3 ，3 8 ( 1 ) - 1 5 i - 1 5 4 2 w w 6 j e i a k ，a n e p i e r a l s k i a n a n a l o g u et e m p e r a t u r e s e n s o r i n t e g r a t e d i nt h ec m o s t e c h n o l o g y m p s o e t h e r m i n i c 9 5w o r k s h o p ，g r e n o b l e ，f r a n c e ，2 5 - 2 6 ，1 5 - 2 0 ，s e p t e m b e r ( 1 9 9 5 ) 3 i l a b i a n c h i ，e v i n c i d o ss a n t o s j m k a r a mda 1 c m o s c o m p a t i b l es m a r tt 哪t u r e s s o 埘j 】m i e r o e l e c t r o n i c sj o u r n a l ，1 9 9 8 ，( 2 9 ) ：6 2 7 - 6 3 6 【4 】陈贵灿，程军，张瑞智