（微电子学与固体电子学专业论文）基于动态阈值低功耗cmos基准电压源设计.pdf

摘赞 摘要 低压低功耗设计是集成电路设计的重要研究课题之一，本文对动态阈值低功 耗c m o s 基准电压源进行了深入的研究。 通过栅体互连实现了动态阈值m o s 场效应晶体管( d t m o s ) ，采用m e d i c i 对其漏极输出、载流子迁移率、亚阈值等特性进行了仿真分析，证明它是实现电 路低功耗的有效手段之一。 提出了基于动态阂值的低功耗c m o s 基准电压源电路。在基准电压源核心电 路中，折叠运算放大器和电流源采用了d t m o s ，降低了电路的工作电压和功耗： 采用d t m o s 二极管代替了c m o s 基准电压源的双极型二极管，降低了电路的输 出电压：设计了偏置和启动电路提高了电路的可靠性。 采用h s p i c e 对本文提出的低功耗c m o s 基准电压源电路进行了仿真，该电 路的输出基准电压为0 8 v ，且其变化量为1 m v 左右、在一5 0 8 0 0 c 范围内，温度系 数为5 7 7 p p m o c 、功耗为6 p w ：完成了该电路的版图设计，其芯片面积为 4 0 8 2 2 8 l l m 2 。 关键词：动态阈值m o s 场效应晶体管( d t m o s ) 低功耗基准电压源 a b s t r a c t t h ed e s i g l lo fl o w v o l t a g ea i l dl o w - p o w e rc i r c u i t si so n eo ft h em o s ti m p o n a n t s u b j e c t si ni cd e s i g n ，al o w p o w e rc m o sv o l t a g er e f e r e n c eb a s e do nd y 舱m i ct h r e s h o i dv o l t a g e m o s f e t ( d t m o s ) i sp r o v i d e di nt h i sp a p e l b yt y i n gg a t ea i l ds u b s t r a t eo fa i lm o s f e tt o g e t h e r ，d t m o si so b t a i n e d t h e r e s u l t sw i t h2 dd e v i c es i m u i a t i o np r o g r a mm e d i c io nd t m o s so u t p u tc h a r a c t e r i s t i c s ， c a r r i e rm o b j l i t yc h a r a c t e r i s t i c sa n ds u b t h r e s h o l dc h a r a c t e r i s t i c se t cp r o v et h a td t m o s i sag o o dc a n d i d a t ef o rv e r yl o wv o l t a g ea n dl o wp o w e r i c t h el o wp o w e rc m o sv o l t a g er e f 色r e n c ec i r c u i tw i t hd t m o si sd e s i g n e d t h c f 0 1 d e d c a s c o d eo p a m pa n dt h e9 u r r e ms o u r c ei nt h ec o r ec i r c u i tw i t hd t m o s si s a c h i e v e dt or e d u c et h es u p p l y v o l t a g ea i l d t h ep o w e rc o n s u m p t i o n ；t h eb i p o l a r t r a n s i s t o r sd i o d e si nt h ec m o sv 0 1 t a g er e f e r e n c ei ss u b s t i t u t e db yd t m o sd i o d e st o r e d u c et h eo u t p mv o l t a g e ；ab i a sa r i ds t a n u pc i r c u “i sd e s i g n e dt oi m p r o v et h es t a b i l i t y o ft h ec i r c u i t t h er e s u l t so ft h eh s p i c es i m u l a t i o no ft h ev o l t a g er e f e r e n c ec i r c u i ts h o w st h a t t h eo u t p u tv 0 1 t a g ei so 8 vw i t hav a r i a t i o no fa b o u t lm va n dt h et e m p e r a t u r e c o e f 矗c i e n ti s 5 7 7p p m o ci nt h er a n g ef r o m 一5 0 0 ct o8 0 0 c f i n a l l y t h ec i r c u i tl a y o u t o c c u p y i n gad i ea r e ao f 4 0 8 2 2 8 咖2i sr e a l i z e d k e y w o r d ：d y n a m i ct h r e s h o l dm o s f e t ( d t m o s ) l o w p o w e r v o l t a g er e f e r e n c e 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：型丝整日期：丝亟l ：1 2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密论文在解密 后应遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：型垒煎日期：型笸! f ! ! 兰 导师签名： 叁。吐。进 日期：鲨& 。! ：! 兰 第一章绪论 第一章绪论 计算机和通讯技术是现代社会的支柱，而它们的基础是集成电路，以集成电 路发展为标志的微电子技术无处不在，已经成为现代信息社会的基础。随着工艺 的成熟和标准化，以及设计工具和方法的不断发展，集成电路的设计得到了迅速 的发展。 低功耗集成电路的研究是集成电路设计的重要方向，而基准电压源是集成电 路中不可缺少的基本电路模块，近年出现的动态阂值技术是降低基准电压源的功 耗有效手段之一，所以对基于动态阈值低功耗c m o s 基准电压源进行研究有重要 的意义。 1 1 研究意义 近年来移动电话、笔记本电脑等各种便携式和移动电子产品得到了迅速的发 展，而这些电子产品大部分依靠电池进行供电，尽管电池技术得到了极大的发展， 但其容量在最近五年内也无法有3 0 到4 0 的提升1 1 j ，若重复进行充电则给使用 者带来极大的不便，解决便携性和功耗之间矛盾的有效手段是采用新技术来降低 集成电路的功耗，对降低集成电路功耗的研究成为集成电路一个重要的发展方向。 由于c m o s 电路的功耗和电源电压的平方成正比，常采用降低电源电压的方 法来降低集成电路的功耗，另外工艺尺寸的不断减小也要求降低电源电压。但是 随着电源电压的降低，电路的信噪比会降低，由于m o s 晶体管阈值电压的限制， 电源的电压不能无限的降低。 目前，国内外大部分降低集成电路的功耗的方法是开发新的技术和电路结构， 主要的技术有亚阈值技术、浮栅准浮栅技术、衬底驱动技术和动态阈值技术。动 态阈值技术出现在上世纪9 0 年代，动态阈值m 0 s f e t ( d t m 0 s ) 的阈值电压是 栅压的函数。以d 删0 s 为例，当栅压上升时，阈值电压减小；而当v o s = 0 v 时， 其阂值电压与标准m o s f e t 的相同，静态电流较小。动态阂值技术是实现集成电 路低电压、低功耗的一种有效手段。 基准电压源( v 0 1 t a g er e f e r e n c e ) 在电路中通常用来提供高稳定的电压基准， 随着集成电路规模的不断增大，尤其是片上系统( s o c ) 的发展，使它成为大规 模、超大规模集成电路中不可缺少的基本电路模块。在许多集成电路和电路单元 中，如数模转换器( d a c ) 、模数转换器( a d c ) 、线性稳压器和开关稳压器，都 需要精密而稳定的电压基准。因此，基准电压源在模拟集成电路中占有非常重要 的作用，直接影响电子系统的性能和精度，对其进行研究具有重要的意义。 基于动态阈值低功耗c m o s 基准电压源设计 动态阂值技术是一个新兴技术，对其在集成电路的低压、低功耗方面的应用 进行了大量的研究，也取的了一定的成果，主要是对d t m o s 的工作特性进行研 究，对其应用的研究相对滞后，本工作致力于对d 1 m o s 在集成电路中的应用进 行研究。本文的工作主要分为三部分：首先，对d t m o s 的工作机理、实现方法 和工作特性进行分析和研究；然后，对动态阈值技术在集成电路中的应用进行了 初步的研究，设计了基于动态阈值低功耗c m o s 基准电压源；最后，采用h s p i c e 对本文设计的低功耗c m o s 基准电压源进行了仿真分析并完成了电路的版图设 计。 综上所述，基于动态阂值低功耗c m o s 基准电压源的研究对动态阈值技术在 大规模集成电路中的应用奠定了初步的基础。 1 2 国内外研究现状 降低集成电路功耗的研究工作主要集中在对新的技术和新的电路结构的研 究，主要集中在以下几个方面：动态阈值技术、浮栅准浮栅技术、衬底驱动技术 和亚阈值技术。下面对它们的进展以及在低功耗c m o s 基准电压源中的应用进行 简要的分析。 1 2 1 动态阈值技术 大部分的d 1 m o s 就是通过对m o s f e t 的改造使其阂值电压成为栅极电压的 函数，理想的工作状态为：导通时具有很低的阈值电压，以提供很强的驱动能力： 截止时具有高的阈值电压，可以减少漏电流从而降低功耗。 大部分的动态阈值技术的实现都是基于绝缘体上的硅( s 0 1 ) 技术，第一个真 正的d t m o s 是f a s s a d e r a 曲i 等人在1 9 9 4 年提出的，与此同时他们还指出了s o i 技 术非常适合于d t m o s 的原因【2 】= 首先，在基于s o i 的c m o s 系统中不需要反偏的p n 结来进行器件隔离：其次，与体硅相比，基于s o i 的c m o s 的结电容的面积更小， 因此结电容较小，同时衬底的寄生电流也会减小。 对s o i d t m o s 进行了大量研究，分别提出了采用不同结构的实现方法，基于 单管的d t m o s 主要有下面三种，也有的学者提出了采用主晶体管和辅助晶体管的 d t m 0 s ，由于其在集成电路中应用要比单管d t m o s 占用更多的芯片面积，而不 利于提高集成度。 1 栅体直接连接d 1 1 “o s ( g b d t m o s ) “w 最早提出的d 1 m o s 正是基于这种结构的，其剖面图如图1 1 所示，在文献 2 】 中f a s s a d e r a 出i 等人对其工作机理进行了初步的分析，以n m o s 为例，通过栅极 第一章绪论 和体互连，使体电位跟随栅极电位的变化而变化。当v o s 为高电平时，体源二极管 正向偏景，在v g s 为低电平时，体源二极管零偏或者反偏，从而调节阂值电压，达 到改善驱动能力的目的。 图1 1 基于s o l 的g b d t m o s 剖面图 文献 1 1 】中指出由于栅极和体的互连使体效应显著，这是导致闽值电压变化的 原因，器件的特性仿真表明基于s o i 的g b d t m o s 与标准的m o s f e t 相比具有更高 的迁移率、更强的负载能力和更低的功耗。本文将对这种结构实现的d t m o s 进行 研究，主要研究其工作机理并采用m e d i c i 仿真其特性，为d t m 0 s 在集成电路中的 应用打下良好的基础。 2 双栅d t m o s 岫” 也有学者提出了双栅d t m o s ，一般情况下前栅为工作栅，背栅为控制栅，其 剖面图如图1 2 所示。 全耗尽s o i m o s f e t ( f d s o i m o s f e d 具有几乎理想的亚阈值摆率和小的寄 生电阻，但是因为它的v t h 对硅膜的厚度敏感，所以难以控制。部分耗尽s o i d t m o s 的i 。以。f f 彳艮大，通过体偏置可以调节v t h ，但是工作电压不能超过0 6 v 。将两者结 合起来就形成了双栅d t m o s 。 l 岛 甲 图1 2 双栅d t m o s 剖面图 埘肿上王 基于动态阈值低功耗c m o s 基准电压源设计 虽然基于这种结构的d t m o s 具有几乎理想的亚阈值摆率和小的寄生电阻，但 是v t h 对硅膜的厚度敏感难于在工艺中进行控制，所以本文对双栅d t m o s 未进行 研究。 3 栅体肖特肇接触d 1 m o s l l 4 l 栅体肖特基接触d t m o s 有效的钳制了体电位，并且具有较好的高温特性。这 种结构的d t n m 0 s 栅和衬底的连接是通过n + 多晶硅栅c o 肖特基势垒。p 型衬底来 实现的。因为当v g s o 7 v 时，c o 肖特基势垒处于反偏状态，对体电位进行钳制， 从而使此时的体源p n 结不开启，其结构示意图如图1 3 。 d t m 0 d e i | o s a 啪n hl 奠= l = l 匿 b o x s u b 图1 3 栅体肖特基接触d t m o s 剖面图 栅体肖特基接触d t m o s 的优势是：第一，相对于g b d t m o s ，栅体肖特基接 触d t m o s 具有较好的高温特性。采用这种新结构的d t n m o s ，在高漏极电压下， 其饱和电流将大于工作在j 下常模式下的n m o s ；第二。与标准m o s f e t 相比有更好 的高温特性。所以其对自热效应具有较强的免疫能力。 1 2 2 其它低功耗技术 对低功耗的新技术的研究还有以下三个方面：亚阂值技术、浮栅准浮栅技术、 衬底驱动技术，其研究进展主要如下： 1 亚阈值技术 一般工作情况下的c m o s 电路虽然具有低功耗特性，但其工作电流仍有微安 的数量级。只有在m o s 晶体管处于亚阈值状态时，它们的工作电流才会减小到微 安以下。这时m o s 晶体管的漏极电流与栅源控制电压将具有类似于双极型晶体管 的指数关系【b 1 “。基于这样的电流与电压关系，近年来对其在低压、低功耗方面 第一章绪论 的应用进行了研究【1 7 f 瑚，工作在亚阈值区的m o s 场效应晶体管会对电源电压的 变化、温度的变化等更敏感，这限制了其在低电压、低功耗集成电路中的进一步 应用。 2 浮栅准浮栅技术n 9 瑚 浮栅m o s 管就是利用浮栅来调节m 0 s 管的阂值电压，从而获得较低的闽值 电压。但是浮栅技术需要制作浮栅，工艺较复杂，在标准的m o s 工艺下无法实现， 提高了电路的制造成本；由于浮栅m o s 管浮栅c g d 到漏之问有直流和交流反馈， 因此输入阻抗较低，只能实现低增益的电路结构。 眩z z z z 琵z z 囫 c o 图1 4 浮栅n m o s 的剖面图 准浮栅m o s f e t 的结构与浮栅m o s 管的结构非常相似，不同的是准浮栅 m o s f e t 通过一个非常大的上( 下) 拉电阻把浮栅直接连到电源v d d 上，从而解 决了浮栅上的初始电荷问题。准浮栅m o s f e t 在低电源电压下具有良好的饱和特 性。浮栅准浮栅技术作为一个新兴的技术目前尚处在研发中，离实际应用的要求 仍有较大的差距。 3 衬底驱动技术【2 1 2 2 】 衬底驱动技术就是把输入信号加在衬底上，通过衬底电压的变化束控制沟道 宽度的变化而实现对输入信号的处理。衬底驱动技术能够消除阈值电压对电路电 源电压的制约。 在衬底驱动m o s 管中，由于输入信号加在衬底端，m o s 管的栅极与固定电 位相连，因而m o s f e t 被偏置到饱和区，从而保证总有偏置电流流过漏极，这样 便消除了阈值电压的影响。其工作机理有点类似于耗尽型结型场效应管( j f e t ) ， 可以在衬底端和源端之间处于弱正偏、零偏和反偏的情况下工作，衬底驱动技术 具有非常大的开关电压比的优点，使其非常适合进行电压调制。 虽然衬底驱动技术可以消除阙值电压对电路电源电压的限制，但仍存在以下 缺点：一、衬底驱动电路要求所有m o s 管的衬底相互独立：二、衬底驱动m o s 管的跨导g 。比栅驱动的m o s 管的跨导小；三、衬底驱动m o s 管的极性和制造工 艺有关等。 基于动态闽值低功耗c m o s 基准电压源设计 1 2 3 低功耗基准电压源 运用半导体集成电路技术制成的基准电压源种类较多，如深埋层稳压管集成 基准电压源、双极型晶体管集成带隙基准电压源、c m o s 集成带隙基准电压源。“带 隙基准电压源”是七十年代初出现的一种新型电路，它的问世使基准电路的指标 得到了新的飞跃。从这些基准源中可获得1 2 2 v 至l o v 的各档基准电压。由于建立 在非表面的带隙机理上，因此比基于表面击穿的稳压管器件更加稳定，温度系数 可达2 “v ( 即2 p p i i l ) ，输出电阻极低。由于带隙基准电压源具有高精度、低 噪声、低温漂等许多优点，因而得到了广泛应用。 所谓能带间隙，是指硅半导体材料在热力学温度为零度( 0 k ) 时的带隙电压，其 数值约1 1 2 v ，用符号v 窖。表示。带隙基准电压源一般由两部分构成，产生正温度系 数的模块( 一般由热电压v t 产生) 和产生负温度系数的模块( 一般由双极型晶体 管的发射结电压v b e 产生) 。通过这两个模块的结合使用，使其在某温度下实现 零温度系数时的输出电压为硅的能带间隙，这种基准电压源称为带隙基准电压源， 图1 5 是一个基本带隙基准电压源电路。 图1 5 基本的带隙基准电压源电路 由于集成电路的主流制作工艺的尺寸越来越小，工作电压越来越低，对基准 电压源的工作电压提出了更为严格的要求，采用亚阈值技术和浮栅准浮栅技术来 降低基准电压源的工作电压成为集成电路设计的重要研究内容之一， 亚阈值型基准电压源是利用m o s 器件在亚阈值区内漏电流的指数特性，产生 与绝对温度成正比p t a t ( p r o p o r t i o n a lt oa b s o l u t et e m p e 胁r c ) 的电压，即j 下温 度系数，补偿双极型晶体管发射结电压的负温度系数，从而获得稳定的输出基准 电压，其结构如图1 6 。 第一章绪论 目l v 肛f 图1 6 - 砭阂值型基准电压源电路 浮栅型基准电压源就是利用浮栅来调节m o s 管的闽值电压，从而获碍较低的 阙值电压，s e t i la c o o k 等人。”通过将跨导放大器和互阻抗放大器结合来隔离温度和 电源电压对浮栅的影响得到了令人满意的结果( 其电路结构如图1 7 ) 。 图1 7 浮栅型基准电压源电路 文献 2 4 中w e i j i n 等人提出了采用s o i 动态阈值c m 0 s 反相器，对动念阈值技 术的应用进行了初步的探讨，es h e n 和j b k u o 设计了o 8 v 的内容寻址存储器单元电路 但未给出动态两值技术具体的应用方法【2 5 1 。 基于动态阈值低功耗c m o s 基准电压源设计 虽然对动态阈值技术的应用已经有一些研究工作，但是这些工作远远不能满 足其在实际中应用的要求，所以本文选择了基于动态阈值的c m o s 低功耗基准电压 源的设计，这是由于基准电压源在集成电路中具有重要的地位，同时也为动态阈 值技术的应用打下一定的基础。 1 3 本文的研究内容 本文对动态闽值技术在低功耗c m o s 基准电压源中的应用进行了探讨，主要 的工作如下： 1 通过将栅和衬底互连实现了动态阈值电压m o s 场效应晶体管，其在导通状 态时，阈值电压降低，漏极电流大，负载能力强；截止状态时，阈值电压与标准 m o s f e t 相同，具有小的漏电流。采用m e d i c i 对其漏极输出、载流子迁移率、亚阈 值等特性进行了仿真分析，证明它是实现电路低功耗的有效手段之一。 2 设计了动态闽值的低功耗c m o s 基准电压源电路。在基准电压源核心电路 中，折叠运算放大器和电流源中采用d t m o s ，降低了电路的工作电压和功耗：采 用d t m o s 二极管代替了c m 0 s 基准电压源的双极型二极管，降低了电路的输出 电压；设计了偏置和启动电路提高了电路的可靠性。 3 采用h s p i c e 对本文提出的低功耗c m o s 基准电压源电路进行了仿真，该 电路的输出基准电压为o 8 v ，且其变化量为1 m v 左右、在一5 0 8 0 0 c 范围内，温度 系数为5 7 7 p p l i 护c 、功耗为6 肛w ；完成了该电路的版图设计，其芯片面积为 4 0 8 2 2 8 哪2 。 4 对本文的工作进行了总结并指出了进一步的研究方向。 第二章d t m o s 的结构、工作机理以及特性分析 第二章d t m o s 的结构、工作机理以及特性分析 d t m o s 的结构与标准m o s f f e t 的结构不同，栅体互连是实现d t m o s 的有 效手段之一。在本章，首先，设计d 1 m o s 的器件结构；其次，分析其工作机理： 然后，采用m e d i c i 模拟其工作特性，从而为d t m o s 在低功耗基准电压源中的应 用打下基础。 2 1 器件结构 s o i 技术在上世纪六十年代就得到了研究，其最明显的特征是将器件层与衬底 支撑层隔离开来。后来研究发现，这种技术能够避免集成电路中同一衬底对器件 层的影响，且该技术具有很多与体硅技术不同的特性，这些性质能够克服体硅技 术中的一系列不足，可以适应集成电路进一步发展的需要，s 0 i 技术具有以下的优 点：寄生效应小；功耗小，速度高；抗辐射能力强；集成度高；消除了闭锁效应； 能为器件和电路提供良好的隔离等。 第一个真正的d t m 0 s 就是基于s o i 技术的，fa s s a d e r a 曲i 等人指出s o i 技 术适合于d 1 m o s 的原因：第一，在基于s o i 技术的c m o s 系统中不需要反偏的 p n 结来进行器件隔离；第二，与体硅相比，基于s o i 技术的c m o s 的结电容的面 积更小，因此结电容较小，同时衬底的寄生电流也会减小。本文对基于s o i 技术 的d t m o s 进行分析和研究，下面讨论其器件结构。 b ur e do x i d e s i l i c o ns h b 軎妇t e 图2 1 衬底和栅极的互连d 1 m o s 的示意图 图2 1 是s o i d t m o s 的结构示意图。在实际的s o i d t m o s 器件中，体电极的引 出是在栅的宽度方向上在体硅膜上作一个p + 区，然后与多晶硅相连。为了在二维情 况下对s 0 i d t m o s 进行模拟，在体硅膜与埋氧界面加一体电极。考虑到多晶硅耗 尽效应，将一重掺杂多晶硅区域作为栅电极。由于体电极与栅电极电学相连，当 基于动态阈值低功耗c m 0 s 基准电压源设计 栅压改变时，体电极处电压随之同时改变，从而影响到体区硅膜，使硅膜中的电 势、电场、电荷等物理量较常规s o i 器件发生重大变化，从而实现基于s o i 的动态 阈值技术。 2 2 工作机理 d t m o s 就是通过对标准m o s f e t 的改造使其阈值电压成为栅极电压的函数， 理想的工作状态为：导通时具有很低的阈值电压，以提供很强的驱动能力；截止 时，具有较高的阈值电压( 一般与标准的m o s f e t 相同) ，减少漏电流从而降低 功耗。栅极和衬底的互连是实现d 1 m o s 的方法之一，下面分别从d 1 m o s 的导 通状态和截止状态讨论通过这种方法实现的d 1 m o s 的工作机理。 1 截止状态 由于衬底和栅极的互连，当栅极电压变化( 衬底电压与栅极电压相同) 时， 会引起体效应的变化从而导致闽值电压的变化，它们之间的关系可以用式( 2 1 ) 表示。 = 。+ ，忻诵一习) ( 2 - 1 ) 式中，v b s 为衬底和源间的电势差、y 为体效应影响因子、v t h o 为衬底和源| 日j 偏压为零时的m o s 晶体管阈值电压、2 椰为硅强反型时的表面电势( 典型p 型衬 底时为o 6 v ) 。衬底和源极间偏压为零时的阈值电压、h 0 以及体效应影响因子1 ， 可以用式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) 计算： 。：+ 2 办+ 掣 ( 2 - 2 ) l 甜 y ；型堡型!) c 眦 妒。：坚l n ( 生) 口打一 ( 2 4 ) 上述公式中，v f b 为平带电压，n b 为有效的沟道掺杂浓度。 通过上面的分析，我们建立了阈值电压和栅极电压之间的关系。d t m o s 工作 在截止状态时，衬底和源极间偏压为零，这时d t m o s 晶体管的阂值电压和标准 的m 0 s 晶体管的闽值电压相同。 2 导通状态 d t m o s 晶体管处于导通状态时，由于衬底和栅极的互连，随着栅极电压上升， 衬底电压亦上升，由式( 2 1 ) 可知体效应增强导致阈值电压的降低，阈值电压降 第一二章d t m o s 的结构、工作机理以及特性分析 低的影响有以下两个方面：一、降低了沟道内的有效电场强度、提高了载流子的 迁移率；二、阅值电压的降低，使其与标准m 0 s f e t 相比，具有更高的漏极电流， 提高了d t m o s 晶体管的负载能力。 ? 由以上分析可以得知，d t m o s 晶体管有如下特性：导通状态时，阈值电压降 低，漏极电流变大，负载能力增强；截止状态时，阈值电压升高，减少了晶体管 的漏电流，进而降低了其功耗。 2 3 特性分析 采用二维数值的方法，运用a v a i l t ! 公司的二维模拟软件m e d i c i ，以d t n m o s 为例对d t m 0 s 进行了模拟分析。并且模拟分析了阈值电压与体电压的关系、漏 极输出特性等，为d t m 0 s 在低功耗基准电压源中的应用奠定基础。 2 3 1m e d i c i 简介 a v a m ! 公司的二维模拟软件m e d i c i 通过建立电势与载流子分布的二维模型， 可以分析任意偏压下双极晶体管、场效应晶体管( m o s f e t 、j f e t 、m e s f e t ) 、 二极管、异质结器件以及太阳电池等多种半导体器件的电学特性，是一种功能十 分强大的半导体器件模拟软件。其模拟流程如图2 2 。 初始嘲格e 成 州格的优化i f i 调整 耦台求解方 蛊 非翳台求解方法 器件各个物理盘的分布 嚣竹墙口也毕特性 2 3 ，2 特性分析 图2 2m e d i c i 的模拟流程 缸舟、兜噬、碰掩l b 鹰 蔡带魄度变化，带障隧 穿教疵r 疗命置社 书横型荨 俯摊、姒膻， 光等 根据2 1 节中设计的d t m o s 的结构，采用m e d i c i 对阈值f 乜压与体电压的芙 基于动态阈值低功耗c m o s 基准电压源设计 系、漏极输出特性、载流子迁移率特性和亚阈值特性进行了仿真，并对仿真的结 果进行了分析，结果表明，d t m 0 s 比标准的m o s f e t 更适合于低功耗电路。 1 阈值电压与体电压的关系 0 00 1 0 2 0 304050 6 0 7 0 809l ，0 b o 却b i a 5 s 图2 3 闽值电压与体电压的关系 d t m o s 的一个重要的特性是当d t m o s 导通时，随着栅极电压的上升，其阈 值电压会随之降低( 如图2 3 ) ，这是由于栅体互连增强了d t m o s 的体效应，使 其阈值电压降低；而当d 1 m o s 截止时，其阈值电压升高，与标准m 0 s f e t 的相 同，减少了截止时的漏电流，使d t m o s 的功耗低于标准的m 0 s f e t 。 2 漏极输出特性 d t m o s 与标准的m 0 s f e t 相比具有更好的负载能力，从图2 4 可以看出在 v g s 为o 3 伏时，d 1 m o s 的漏极电流是标准m o s f e t 的大约2 5 倍；而在v g s 为 o 6 伏时，这一比值达到了大约5 5 倍，可以看出d t m o s 具有很高的电流驱动能 力。 )*工岛d薯。咕名t；fh善卜 第二章d t m o s 的结构、工作机理以及特性分析 d 删nv o l t a g e ( v ) 图2 4d t m o s 与标准m o s 漏极电流的比较 3 载流子迁移率特性 图2 5 栅极电压与载流子迁移率的关系 d t m o s 的另一个重要特性是具有很高的载流子迁移率( 如图2 ，5 ) ，这是由于 d t m o s 中耗尽电荷的减少导致了沟道中有效电场强度的降低造成的。 4 亚阈值特性 d t m o s 的亚阈值特性接近完美，v g s 和i d 是近似理想的指数关系，它们之例 的关系可以用下式表示： 护俨e x p ( 盟鲁型) ( 7 - ，) 式( 2 5 ) 中，吮。为势垒降低电压，它们之间的关系如图2 6 所示。 一基j 、f a v鼍譬皇u巷o 基于动态阚值低功耗c m o s 基准电压源设计 图2 6d t m o s 的驱阈值特性 上面主要对d t m o s 的工作特性进行了初步分析，通过分析我们可以初步断 定d t m o s 是实现低功耗的有效方法之一。 2 4 小结 通过将衬底和栅极互连实现了动态阈值电压m o s 场效应晶体管，利用体效应 比较合理的解释了其工作机理，其在导通状态时，阈值电压降低，漏极电流大， 负载能力强；截止状态时，阈值电压与标准m o s f e t 相同，具有小的漏电流，使 d t m o s 的功耗低于标准的m o s f e t 。采用m e d i c i 对其特性仿真证明d t m o s 与 标准的m o s f e t 相比，具有更高的载流予迁移率、更大的电流驱动能力和更好的 亚阈值特性，它是降低集成电路功耗的手段之一。 (v一猫肇冬。嚣芦点 第三章基于动态阈值的低功耗基准电压源的设计 第三章基于动态阈值的低功耗基准电压源的设计 基准电压源( v i l t a g er e 佗r c n c e ) 在电路中通常作为高稳定的电压基准，随着 集成电路规模的不断增大，尤其是片上系统( s o c ) 的发展，使它成为大规模、 超大规模集成电路中不可缺少的基本电路模块，对其进行研究有重要的意义。 在本章中，主要讨论带隙基准电压源的研究现状、基本原理，并设计基于动 态闽值的低功耗c m o s 基准电压源电路。 3 1 带隙基准电压源的研究现状 自从2 0 世纪7 0 年代初首次提出带隙基准电压源以来，带隙基准电压源得到 了深入的研究和广泛的应用。带隙基准电压源主要有产生j 下温度系数模块和产生 负温度系数模块两部分，然后把这两部分结合起来实现某一温度下的零温度系数 基准电压源，而这时的基准电压v r e f 为硅的带隙能量v 。o ( 硅的带隙能量在常温 下为1 1 2 v 左右) ，故这种基准电压源称为带隙基准电压源。 在带隙基准电压源电路的发展过程中，双极型电路最为成熟，由于采用了带 隙基准或齐纳击穿电压作为稳定的电压单元，使其在精度和稳定性方面都达到了 比较高的水平。而在m o s 电路中，由于器件的选择有限，而且器件的基本参数与 工艺参数都对温度有着强烈的依赖关系，给电路设计带来了一定的困难。但是， 由于m o s 电路，特别是c m o s 电路的低功耗、高噪容、高集成度和高抗干扰等 独特优点，以及高速问题的逐步解决，使得c m o s 技术得到了迅猛发展，相继出 现了电流密度比补偿型、亚阂值型、多晶硅栅功函数差型和浮栅型等多种c m o s 带隙基准电压源，并且随着电路结构的不断改进和新技术的开发应用，其性能也 在不断提高。研究这些电压源的电路结构对后面的低功耗c m o s 摹准电愿源f 赶路 设计有重要的指导意义。 3 1 。1 带隙基准电压源的基本原理 带隙基准电压源一般由两部分构成，产生正温度系数的模块( 般由热电压 v t 产生) 和产生负温度系数的模块( 一般由双极型晶体管的发射结电压v b e 产生) ， 其基本组成结构如图3 1 所示。 基于动态阈值低功耗c m o s 基准电压源设计 吒s + x v t 图3 1 带隙基准电压源的基本结构组成框图 1 负温度系数项v b e 当双极型三极管基极和集电极相连构成二极管时， 压v b e 为： 一讪唾) 其基极和射极间的导通电 舯如= 镨 上式中a e 为晶体管发射极面积、d 。为基区电子扩散系数、 n b 为基区杂质浓度。由于a e 、q 、w b 、n b 与温度无关，假设 b ：兰盟 睨m 根据爱因斯坦关系式 ( 3 1 ) ( 3 。2 ) w b 为基区宽度、 d ：蝉n 堕 g 将式( 3 3 ) 、( 3 4 ) 代入式( 3 2 ) 中，得 ls ：8 堕哆。磅：b ，t p n 畸 q 式中b 和b 是与温度t 无关的常量。“。为基区的电子迁移率， 浓度，且有 ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) n i 为本征少予 以= c r l ( 3 6 ) ，f = e r 3 b 一。7 吩 ( 3 7 ) 式( 3 6 ) 中c 是与温度无关的常量，n 是温度指数；式( 3 7 ) 中e 是与温 第三章基于动态阈值的低功耗基准电压源的设计 度无关的常量，v 9 0 为温度为o k 时的带隙能量。因此 e = 聊巧l n 【丁1 凡忻】 ( 3 8 ) 式中，f 为与温度无关的常量，。= g r 4 ，g 为与温度无关的常量，令y = 4 一珂， 得 p 么= 圪。一所【( ，一口) l i l 丁一i i l ( ，8 ) 】 ( 3 - 9 ) 式( 3 9 ) 两边对温度t 进行求导，得到v b e 对温度的灵敏度，即 孥：孥+ 所巧【掣( 1 i l 川) + 挈】一 ( 3 - l o ) d id 1”1 j 。t 一般情况下堕氅旦比较小，可以忽略，而v g o 与温度无关，且口一， l ，可以得到基准 电压v r e f 为 = 篙* ( 3 - 4 6 ) 因此，这种结构使v f g 对电源电压和温度的变化不敏感，而且在保证v r e f 近 似等于v f g 时，提高了电路的输出基准电压的稳定性、改善了电路的温度性能，这 种c m 0 s 带隙基准电压源的完整电路图已在图1 7 中给出。 5 c m o s 带隙基准电压源的发展趋势 上述各类c m o s 带隙基准电压源问世以来，随着设计技术的不断进步和生产 工艺的不断发展，基准电压源的性能也相应地得到了较大幅度的提高和改善。尤 第三苹基于动态闻值的低功耗基准电压源的设计 其是近几年，i t 行业的迅速崛起为基准电压源开拓了更为广泛的应用空间，下面 对近年来c m o s 基准电压源的发展趋势进行简要分析。 低温度系数基准电压源是基准电压源的发展方向之一。为适应小尺寸、低功 耗模拟集成电路的发展，近年来，出现了运用双极型晶体管的电流增益b 的温度 指数特性对温度进行曲率补偿的技术汹j ，该技术利用双极型晶体管的基极电流作 为补偿电源，无需额外电路产生偏置电流，因此节省了大量的面积和功耗：同时， 温度稳定性大大提高。 高工作频率基准电压源由于在通讯和音频处理领域有重要的应用，对其研究 日益深入。文献 2 7 中的基准电压源的结构可以在几十万赫兹的频率范围内保持 良好的电源抑制比。同时在该电路中又运用了开关电容技术，较好地弥补了运放 失调所产生的缺陷，并且没有使用复杂的微调技术，节省了芯片面积和功耗。 随着移动电话、笔记本电脑等各种便携式和移动电子产品的发展，低功耗成 为集成电路发展的重要方向之一，对低功耗基准电压源的研究成为当今集成电路 研究的热点。对低功耗基准电压源进行了大量的研究，上文中论述的基于浮栅型 c m 0 s 带隙基准电压源和亚阂值型c m o s 带隙基准电压源都是低压、低功耗的基 准电压源。最近出现的动态阈值技术在低功耗集成电路中有重要的应用前景，这 是由于d t m o s 在导通状态时，阈值电压降低，漏极电流变大，负载能力增强； 截止状态时，阈值电压与标准m o s f e t 的相同，减少了晶体管的漏电流，进而降 低了其功耗，目前大量的研究工作都集中在对d t m o s 工作特性的研究上，只有 少量的工作对其在电路中的应用进行了研究，文献 2 4 中w e j j j n 等人提出了采用 s o i 动态闽值c m o s 反相器，并指出了动态阈值技术应用具有良好的前景。本文 对动态阈值技术在低功耗基准电压源中的应用进行了研究，为其在集成电路中的 应用打下基础。 3 2 基于动态阈值的低功耗基准电压源的设计目标 通过上述对基准电压源发展的分析，结合模拟集成电路的发展趋势，可以得 出如下结论，低压低功耗是模拟集成电路发展的主要趋势之一，为适应这一趋势， 低压低功耗基准电压源也成为基准电压源重要研究方向之一，在实现低功耗的同 时，要求不降低电路的性能，并且与c m o s 工艺尽可能相容。 本文要设计的基于动态闽值低功耗c m o s 基准电压源电路要求在标准c m o s 工艺上实现，电路在1 2 v 的电压下工作，功耗为6 w ；当工作电压变化范围为 1 1 5 v 时，输出的基准电压为0 8 v ，其变化量为1 m v 左右，在。5 肚8 0 0 c 范围内 其温度系数为6 0 p p m 1 ) c 。 基于动态阈值低功耗c m o s 基准电压源设计 3 3 基于动态闽值的低功耗基准电压源的电路设计 在第二章研究d t m o s 工作机理以及特性分析的基础上，本节从核心基准电 路、低压电流源、偏置和启动电路三个部分完成基于动态阈值的低功耗c m o s 基 准电压源电路的设计。 3 3 1 核心基准电路 本文设计的基准电压源的核心电路结构如图3 7 ，核心电路由折叠运算放大器、 两个电阻和两个d t m o s 二极管组成。虽然其工作情况和传统的c m o s 基准电压 源类似，但是由于本文设计的电路中采用d t m 0 s 作为输入，降低了电路的工作 电压；采用d t m 0 s 二极管代替了传统c m o s 基准电压源的双极型二极管，大大 地降低了电路的输出电压。 图3 7 动态闭值低功耗c m o s 基准电压源的核心电路 d t m o s 的工作情况和亚阈值m o s 及双极型晶体管即横向p n p 的工作情况类 似。亚阈值m o s 漏电流和横向p n p 的集电极电流为1 2 9 】： h r 吲笔笋) ( 3 4 7 ) 对于双极型晶体管，矿= = ：对于工作在亚阈值区的m o s 晶体管， = 卉。= ( k 。一巧。) c 0 ( c 0 + 。) 。 耗尽层电容( c d c o 。) 的值与耗尽层宽度有关，而耗尽层宽度与阱的浓度及 源结附近硅上的压降。有关。由于阈值调制效应，所以因子c 。x ( c 。+ c d e p i c i i o n ) 是 由栅源电压v g s 和阱源电压v w s 决定的。d t m o s 是通过将标准m o s f e t 的栅极 和衬底互连实现的，所以有v g s = v w s ，d t m o s 的v g s 和i d 有近似理想的指数关 系，即 第三章基于动态阈值的低功耗基准电压源的设计 ，。：，。丁- e x p ( ! 坠垒二型) ( 3 4 8 ) l = ，o 丁1e x p ( 三二兰 坐) ( 3 4 8 上式中，九。为势垒降低电压。由于p 型栅极和n 型阱的存在，使栅极和阱之 间出现了内建电压m 。，它按容性分配在栅极氧化层和硅上中。，在硅上的电压 降落就是势垒降低电压九。，其值用式( 3 4 9 ) 计算 伽0 苦 4 式( 3 4 9 ) 中的内建电压o g ，可以近似表示为 m 孕腿十争锯矿b s 其中，n 。、n ，分别为导带和价带的态露厦，y 为单晶锰和多晶锰1 日j 小j 司的前亍 隙、窄带、固定氧化电荷等效应引起的内建电压的变化量 3 0 。2 】。 由式( 3 4 8 ) 可以推出 喝峨+ 等h 寺) b s ” d t m o s 表现出的材料带隙为 ，。m = 。一九i ( 3 5 2 ) 则式( 3 5 1 ) 可以简化为 = k 脚栅+ 等1 n ( 寺) ( 3 - 5 3