（微电子学与固体电子学专业论文）高精度cmos温度传感器的设计与实现.pdf

山东人学硕i ：学位论文 摘要 片上集成的c m o s 温度传感器集成了温度传感电路和信号处理电路，可检测 芯片和环境温度，具有低成本、低功耗的优点。但是由于工艺偏差等非理想因素 的限制，c m o s 温度传感器比传统温度传感器测温范围窄、精度差。 本文分析了双极晶体管的温度和工艺特性，克服了限制c m o s 温度传感器精 度的各种非理想因素的限制，实现了高精度的c m o s 温度传感器。设计的c m o s 温度传感器由基于衬底寄生p n p 管的温度传感电路和低速高精度模数转换器两 部分电路组成。温度传感电路在传统的p n p 管b g r ( 带隙基准源) 电路基础上， 充分利用c m o s 工艺下可实现的双极型晶体管的温度和工艺特性，采用独立的 p ，i 、a t 偏置、斩波稳零、动态匹配以及二阶非线性补偿等措施消除非理想因素的 影响。低速高精度模数转换器包含一调制器和数字抽取滤波器两部分，论文 分别采用1 阶和4 阶一调制器进行噪声整形，以满足功耗和精度的折衷。 论文设计的温度传感器在s m i c0 1 8 u m1 p 6 m 工艺下实现，核心芯片面积0 5 0 6 m m 2 ，芯片电源电压1 8 v ，总体功耗2 5 m w 。芯片测试结果表明，温度误差 小于l o c ( 0 8 0 0 c ) 。在此基础上，论文对电路进行改进，提高了传感精度，后 仿真结果表明，在- 5 0 - 1 0 0 0 c 范围内最大温度误差小于0 3 0 c 。 本文的主要工作和创新点如下： 1 设计了中等精度和高精度两款片上集成的c m o s 温度传感器。传感器核心 电路中采用了动态匹配、斩波稳零等精密技术，实现了高精度的温度传 感；高精度一a d c 可采用1 阶和4 阶一调制器分别实现低功耗和 高精度要求。测试或仿真表明，所设计的c m o s 温度传感器满足低功耗高 精度的设计要求。 2 分析了双极型晶体管的温度和工艺特性，对比了c m o s 工艺下可实现的两 种寄生双极型晶体管的温度特性，选取衬底寄生p n p 管作为温度传感的 核心器件，对衬底寄生p n p 管的各种非理想特性作了定量分析，并提出 相应的措施消除非理想特性的影响。 3 建立了宽带高精度的级联一调制器的行为级仿真模型，模型中综合考 虑了运放的建立特性、噪声、积分电容的失配以及增益衰减因子等各种 因素对调制器性能的影响，为电路设计确定指标。 4 提出了一种双频积分电路，减小采样电容，积分电容降为原来的一半， 大大减小了芯片面积。 关键词：高精度c m o s 温度传感器；衬底寄生p n p 管；一a d c ；片外校准 v 山东人学颀十学位论文 a b s t r a c t t h ei n t e g r a t e dc m o ss m a r tt e m p e r a t u r es e n s o r sc a nb eu s e dt op e r f o r mt h e m e a s u r e m e n to ft h ee n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r ea n dt h et h e r m a lp r o t e c t i o no fc h i p sw i t h s i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e mi n t e g r a t e di n t h ei n t e g r a t i o nm a k e st h es u p e r i o r i t yo f c m o ss m a r tt e m p e r a t u r es e n s o r si nl o wc o s ta n dl o wp o w e ro v e rc o n v e n t i o n a l t e m p e r a t u r es e n s o r s b u tt h ep e r f o r m a n c eo ft e m p e r a t u r es e n s o r si m p l e m e n t e di n c m o sp r o c e s si sl i m i t e db yv a r i a b l e so ff a c t o r s ，s u c ha sp r o c e s ss p r e a da n ds oo n ， w h i c hr e s u l ti nt h er e l a t i v ep o o ra b s o l u t ea c c u r a c ya n dr e s t r i c t e do p e r a t i n gr a n g e ， c o m p a r e dt oc o n v e n t i o n a lt e m p e r a t u r es e n s o r s b a s e do nt h ea n a l y s i so ft e m p e r a t u r ea n dp r o c e s sc h a r a c t e r i s t i c ，ah i 曲- p r e c i s i o n c m o st e m p e r a t u r ei s p r o p o s e da n dr e a l i z e d 1 1 1 ep r o p o s e dt e m p e r a t u r es e n s o ri s c o m p o s e d o ft h ep n p b a s e d t e m p e r a t u r es e n s i n g c i r c u i ta n dal o w s p e e d h i g h r e s u l o s i o na d c t h et e m p e r a t u r es e n s i n gc i r c u i ti sb a s e do nt h et r a d i t i o n a l b a n d g a pg e n e r a t i o nc i r c u i t a d d i t i o n a l l y ，av a r i e t yo fp r e c i s i o nt e c h n i q u e s ，s u c ha s t h ep r e c i s i o np 汀b i a sc i r c u i t ，t h ec h o p p i n gt e c h n i q u e ，d e m ( d y n a m i ce l e m e n t m a t c h i n g ) a n dc o m p e n s a t i o no fs e c o n do r d e rn o n l i n e a r i t y , a r ea d o p t e dt oo v e r c o m e t h ei m p a c to fn o n i d e a l i t i e s t h el o w s p e e dh i g h r e s o l u s i o n aa d ci sc o m p o s e do f t 1 1 e am o d u l a t o ra n dt h ed e c i m a t i o nf i l t e r f i r s t o r d e ra n df o u r t h o r d e r am o d u l a t o r a r eu s e dr e s p e c t i v e l yf o rt h ec o m p r o m i s eo fd i s s i p a t i o na n dr e s o l u t i o n t h ep r o p o s e dc m o st e m p e r a t u r es e n s o rh a sb e e nf a b r i c a t e di ns m i c0 18 u m 1p 6 mc m o st e c h n o l o g y , w h i c ho c c u p i e sa na r e ao f0 5 x 0 6 m m t h et e s tr e s u l t s h o w st h a tt h ee r r o ri sw i t h i n 士1 ”ci nt h et e m p e r a t u r er a n g eo fo 8 0 ”c w i t hp o w e r d i s s i p a t i o no f2 5 m wf r o ma1 8 vs u p p l y b a s e do nt h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n , m e a s u r e m e n ti st a k e nf o rb e t t e rp e r f o r m a n c e t h ep o s t s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st l l a t t h ee r r o ri sw i t h i n 士o 3 u ci nt h et e m p e r a t u r er a n g eo f 一5 0 10 0 u c w i t hp o w e r d i s s i p a t i o no f3 m wf r o ma1 8 vs u p p l y t h ei m p r o v e de d i t i o nh a sa l s ob e e nh a n d o v e rt os m i cf o rf a b r i c a t i o n t h em a i nc o n t e n t sa n di n n o v a t i o no ft h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： 1 a m o d e r a t e p r e c i s i o na n dah i g h p r e c i s i o ni n t e g r a t e dc m o st e m p e r a t u r e s e n s o ri sp r o p o s e d w i t hv a r i o u so fp r e c i s i o nm e a s u r e m e n t s t h et e s t r e s u l ta n ds i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h ep r o p o s e dt e m p e r a t u r es e n s o r s i si na c c o r d a n c ew i t ht h e h i g h r e s o l u t i o nl o w d e c i p a t i o nd e s i g n s p e c i f i c a t i o n 2 t h et e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i co fb i p o l a rt r a n s i s t o r si sa n a l y z e d t h e v e r t i c a lp a r a s i t i cp n pt r a n s i s t o ri sa d o p t e da st h ek e r n e lt e m p e r a t u r e s e n s i n gd e v i c e c o r r e s p o n d i n gm e a s u r e m e n t sa r em a d et oc o m p e n s a t e f o rt h ei m p a c to fv a r i o u so fn o n i d e a l i t i e s 3 t h eb e h a v i o rm o d e lo fb r o a d b a n d am o d u l a t o ri su p b u i l t t h ee f f e c to f n o i s e ，t h es e t u pc h a r a c t e r i s t i co ft h eo p a m p ，a n ds oo n ，o nt h e p e r f o r m a n c eo f t h ea m o d u l a t o ri sc o n t a i n e di nt h em o d e l 4 an e wt w o p h a s e n o n o v e r l a pc l o c kg e n e r a t i o nc i r c u i tf o rt h ec o n t r o lo f v l i 山东人学硕上学位论文 t h es ci n t e g r a t i o ni sb r o u g h tf o r w a r d ，w h i c hg r e a t l yr e d u c et h es a m p l i n g c a p a c i t o ro ft h ei n t e g r a t o r k e y w o r d s ：p r e c i s i o nc m o st e m p e r a t u r es e n s o r ；s u b s t r a t ep n pt r a n s i s t o r ；a a d c ； c a l i b r a t i o n v i i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：亟迤凌 日 飙孕华丛 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：，垂逝海师签名：论文作者签名：烫世辨师签名： 期： 、f 。 山东人学硕i ：学位论文 1 1 研究背景和意义 第一章引言 现代信息技术有三大基础：信息采集( 即传感器技术) 、信息传输( 通信技术) 和信息处理( 计算机技术) ，传感器技术是信息技术的前沿尖端产品，在工业生产 监控、实验室的试验研究、环境控制和生物医学仪器等很多领域都需要温度的测量 和控制 1 。 温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器( r t d ) 和集成 温度传感器( 见下表) 。热电偶应用很广泛，因为它们非常坚固而且不太贵，覆盖非 常宽的温度范围，但灵敏度和稳定性低，高温下非线性严重；热敏电阻灵敏度高， 输出范围宽，但是非线性和自热严重；r t d 精度极高且具有中等线性度，但价格昂贵 2 。以上三种传统温度传感器只能提供模拟信号输出，且在大多数应用中输出端都 需要另外配置比较器、a d 转换器或者放大器等。此外还受到封装体积、线性表现以 及准确度的制约，限制了其在微型化高端电子产品中的应用。近年来，随着近年i c 工艺技术的发展，实现温度传感器的集成技术成为一个重要的趋势。集成温度传感 器在个人计算机发展的刺激和带动下，市场规模持续增长。随着个人电脑需求的下 降，电信和工业应用将对集成温度传感器的市场起支撑作用。在未来的五年里，集 成温度传感器的平均价格将有所下降，但增长率将达到1 7 1 8 3 】。 集成温度传感器是固态传感技术和集成电路技术相结合的产物，它利用集成电 路的工艺技术，将感温元件与外围电路( 基准电路、线性放大、温度补偿、信号转换) 集成在同一芯片上，从而和传统温度传感器相比有许多优点：体积小，功耗低，输出特 性好。集成温度传感器能在芯片上集成外围的信号处理电路，不需要另外设计线性 化或冷补偿，也不需要另外设计比较电路或a d c 电路，便可直接与数字系统连接。 集成温度传感器主要由温度传感、精密电流源( 基准电路) 、a d 转换器、寄存器、相 关控制电路等构成。 在以硅为基础的半导体集成电路中，可以实现温度传感功能的器件单元主要由 集成电阻，m o s 晶体管、硅二极管、双极型晶体管和c m o s 工艺下的寄生双极型晶 体管等。 集成电阻器在室温下的热灵敏度一般在0 0 5 - - - , 1 0 ，其中，多晶硅电阻器 则具有出色的长期稳定性。但集成电阻器一般线性度都较差，在6 0 - - - 1 8 0 的工作 范围内，只能达到2 5 的精度，难以满足高精度应用要求。 基于m o s 管的温度传感器具有模型精确，受封装影响小以及芯片面积小的特点。 利用m o s 管构建温度传感器一般有两种途径：其一是利用m o s 管的亚阈值特性来构 造与温度成正比的电流， 4 中利用这一原理实现的温度传感器灵敏度可达1 3 2 m v 但由于高温下漏电严重，所以测温范围窄；其二是基于m o s 管强反型状态下载流 子迁移率和阈值电压的温度特性， 5 通过利用这一原理下m o s 器件的零温度系数点 实现的温度传感器测温范围达到一5 0 1 5 0 ，但是需要满足特殊的工艺要求， 6 通 过利用逻辑门延时随温度增加的原理构建数字环振，精度达n o 2 ，但其主要缺点 是受工艺波动影响较大。 山东人学硕上论文 硅二极管和双极型晶体管的p n 结能产生j 下比于温度的电压，优点是低成本、出 色的长期稳定性、高灵敏度、可预测性较高和相关的时间非依赖性。缺点是受自生 成热、工艺容差的影响、以及热循环后信号有小漂移和小数量级的非线性。 实践证明，在i c 技术里最好的温度传感器件是双极晶体管 7 。然而，由于在双 极工艺里不宜实现数字接口技术，因此就出现了b i c m o s 技术，但是这种技术成本 又太高。 c m o s 工艺由于易于实现数字和模拟电路的集成而逐渐推广，在集成电路设计中 占主导地位，在c m o s i 艺罩也可以实现能够用于温度传感器应用的双极器件，即 衬底的寄生纵向p n p 晶体管。通过分析，这种器件也有用双极工艺生产的器件同样 好的性能 8 。这种集成系统具有价格低廉、设计简单、测量精确、高度集成等优点， 在计算机、电信、工业控制和医学等领域得到广泛的应用。 如今的c m o s 温度传感器根据不同的应用要求，在芯片集成设计技术上比过去有 了很大的改进，并且朝着智能型温度传感器方向发展。但是，由于c m o s 工艺下寄生 双极型晶体管自身的物理特性限制，c m o s 温度传感器尚不能达到较高的精度，目前 主流厂商模拟器件公司( a d i ) 、国家半导体( n s ) 和美信( m a x i m ) 等推出的c m o s 温度传感器全军工温度范围( - 5 5o c 到1 2 5o c ) 内误差基本都大于0 5 一3 ，价格 约0 3 1 美金每片 9 。 1 2 本论文研究的难点和主要内容 本文将选择主流的c m o s 纵向寄生双极型晶体管作为温度传感器的核心感温器 件，但是受c m o s t 艺下寄生双极型晶体管自身的物理特性限制，c m o s 温度传感器尚 不能达到较高的精度。本文将对c m o s 纵向寄生p n p 管的物理特性进行研究，以采取响 应的措施消除各种非理想因素的限制，在保证低成本的前提下，通过提高设计技术 来实现高精度的c m o g 温度传感器。 1 2 1c m o s 智能温度传感器的基本原理 理论上来说，集成电路中每一种器件都具有独立的温度特性，因此c m o s 温度传 感器的设计原理是多种多样的，基于电阻、m o s 管和双极晶体管的c m o s 温度传感器设 计都有报道，这些温度传感器的输出大都是随温度变化的电压、电流、频率等。但 是，这些单独的随温度变化的物理量是不能实现智能温度传感器数字输出的功能的， 因为只有将这些虽温度变化的物理量同一个基准信号进行比较，才能体现温度特性， 实现数字输出。 双极型晶体管正是实现上述应用的最佳选择。因为通过双极晶体管，可以产生 一个与温度成j 下比的p t a t 电压，和一个不随温度变化的基准电压v r e f 。如图1 所示， 将这两个信号输入到模数转换器( a d c ) 中，就可以实现温度的数字读取了 7 。这 些数字输出，可以通过总线连接( 如1 2 c 总线) ，输入至u d s p 中，提供供温度控制等 应用。 2 m 束大学硕士学位论文 v p t a t v r e f n t e g r a t e ds m a dt e m p e r a t u r es e n s o r t e m p e r a t u r e ，、厂、 d j g 胎l - - - - - - 一t e m p e r a t u r e r e a d i n g 图1 1c m o s 温度传感器组成框图 双极型晶体管核心电路产生p t a t 电压和v 髓p 的原理如图2 所示( c m o s i 艺下只能 实现p n p t i y 极型晶体管) ：在恒定电流偏置下，p n p 管的基极与发射极的电压差v 魁具 有很好的温度系数为负值的线性；而偏置于集电极电流密度之比为p ：i 的两个p n p 管， 其v b e 之差v b e 是一个与温度成正比的电压，这样v b e 与a v 盹在一定比例下相加，正 负温度系数相互抵消，得到不随温度变化的基准电压源 1 0 。 ( a )( b ) 图1 2 基于双极型晶体管的核心电路工作原理 ( a ) 电路示意图；( b ) 数学关系图 122 设计中的主要难点和挑战 整个传感器由前端核心电路和模数转换器( a d c ) 组成。适合于传感器中应用的 低速高精度a d c 的设计技术已经比较成熟，因此，传感器的精度主要受前端与温度相 关的物理量的提取电路限制，归根结底取决于双极型晶体管的温度特性。 与温度成j 下比的v 髓的温度系数几乎只取决于两个p n p 管的集电极电流密度之 山东人学硕j ：论文 比，因此其线性度非常好，且对工艺变化不敏感，具有很好的可重复性，在具有良 好温度特性的电流的偏置下，由av b e 所引起的温度误差可小于o 1o c 1 1 。但是， 单个晶体管的基极和集电极的电压差v b e 取决于多个温度系数复杂且随工艺变化的 物理量，因此具有一定的非线性，且随工艺偏差比较大，可重复性很差，由v b e 导致 的温度误差可达20 c 以上，即使使用精密的电路技术，v b e 导致的温度误差仍在10 c 以 上，要实现高精度的温度测量，须采用适当的校准技术，而校准的实施将加大产品 的成本。 因此，本设计的主要挑战在于，如何确保消除前端核心电路中非决定性非理想 因素的干扰，并采用经济有效的校准技术对主要误差因素进行修正。温度传感器电 路属于精密电路，核心部分所提取的与温度相关的物理量需具有定量的特性，而这 个物理量却是一个微弱信号，其对电路的非理想因素，例如器件间的失配，运放的 失调，以及电阻电容等器件绝对值随工艺的偏差等非常敏感，对各种非理想因素产 生的影响必须采取相应的措施予以消除。温度校准技术又分为晶圆级( 封装前) 校 准和片外( 封装后) 校准，封装前校准成本较低，但是随后的封装将引起较强的的 压电效应，虽然，本设计采用对压电效应相对不敏感的衬底寄生双极型晶体管，但 是偏置源中的电阻会因为压电效应而产生较大的偏差，因此，要实现误差小于0 5 0 c 的高精度c m o s 温度传感器，必须在芯片封装以后进行校准，即采用片外校准技术。 此外，低功耗要求下低速高精度a d c 的设计实现也是整个传感器设计的重点之 1 2 3 本论文的主要组织结构 为了提高c m o s 智能温度传感器的设计水平，本文将系统的对c m o s 温度传感器的 原理进行分析，针对限锘i j c m o s 温度传感器精度提高的非理想因素采取响应的措施， 提高c m o s 温度传感器的设计水平。 第二章中将系统而详细地分析基于双极晶体管的前端核心电路的物理特性，对 电路中各种非理想因素对v b e 和av b e 的影响进行精确建模，分析表明，要实现小于 1o c 的误差，必须进行校准和修调，幸运的是误差的特点保证了单点校准的可实现性 1 2 。 第三章将基于二章的建模，对各种非理想因素的影响进行定量限制，并采用相 应的措施，如动态匹配，斩波稳零等技术消除或减弱非理想因素导致的v b e 和av b e 的误差，并提出了一种精确的p t a t 偏置电路，对v b e 和av b e 的产生电路进行谝置。 第四章分析a d c 的系统级设计。a a d c 是该应用中的最佳选择，对一阶和高阶 a a d c 的工作原理进行了分析，并分析了数字抽取滤波器对a a d c 精度的影响。 第五章进行中等精度温度传感器的设计实现，并制定测试方案，根据测试结果 提出改进办法。 第六章对温度传感器进行改进，实现高精度的温度传感器的设计。设计了一阶 和四阶两款a a d c ，并出于低功耗考虑，将一阶a a d c 用于温度传感器中进行流 片。 第七章得出结论，并对未来的工作进行展望。 4 山东人学硕上学位论义 第二章基于双极型晶体管的温度传感电路 绝大多数c m o s 温度传感器的核心电路都是基于双极型晶体管而建立的。本章 将首先分析双极型晶体管的物理特性及各种影响其温度特性的效应，然后介绍 c m o s 工艺下双极型晶体管的实现，对c m o s 工艺下双极型晶体管的非理想因素 对温度传感器精度的影响进行分析。 2 1 双极型晶体管的物理特性 一个正向偏置( 即射一基结正偏，集一基结反偏) 的双极型晶体管，集电极电流 i c 与射一基结电压v b e 以及温度t 具有很强的指数关系，是双极型晶体管用于产生 p t a t 电压和基准电压的基础。由于大多数c m o s 工艺智能实现p n p 管，所以本节首 先分析了p n p 管的理想特性，然后讨论i c v b e 的非理想特性。 2 1 1 符号说明 图2 1 描述了正向偏置的p n p 管和n p n 管的常规符号。对于正向偏置的p n p 管， 其射一基结电压是j 下的，因此在讨论基于p n p 管的温度传感器电路时，严格地说应 该表示为“v e b ”和“v e b ”，但是关于双极型晶体管的理论公式大多说是关于n p n 管的，为了能个方便的使用这些公式讨论p n p 管的特性，本论文中使用“v b e ”和“ v b e ”，也就是说本论文中的“v b e ”严格来说应当是iv b el 或者v e b 。 图2 1 正向偏置的p n p 管和n p n 管的常规符号 2 1 2 理想if - v b e 特性 对正向偏置的p n p 管，其射一基结是一个正偏的p + - n 结，发射极的受主浓度远 大于基极的施主浓度，因此由由发射极进入到基极的空穴电流远大于由基极到发射 极的电子电流，因此在基极的靠近发射极的- n 产生空穴积累，此处孔穴的浓度依 赖于v b e 1 3 ： n ，咖= 氏e x p ( 百q v s e ) ( 2 1 ) 山东人学硕：i ：论文 在1 1 型半导体中有( n d 为施主浓度) ： n ；2 p 一。= 寺 ( 2 2 ) vd 由于空穴最后被扫入反偏的集基结，因此基极的靠近集电极的一侧空穴浓度近 似为零，基极两端很大的浓度差将导致空穴由基极的一侧扩散到另一侧，一般来说 基区的宽度w b 小于空穴的扩散长度l p ，因此可假设孔穴在基区线性分布，因此扩 散产生的集电极电流为： ，：! ! 竺竺坚竺( 2 3 ) w 口 其中a 为发射极面积，w b 为基区宽度，d p 为基区的空穴扩散系数。结合( 2 1 ) ( 2 3 ) 可得l = ，e x p ( 乏争) 或者： 丘 ( r ) = 丝l n ( 粤) ( 2 4 ) q i s 其中饱和电流i s 表示： j ：! 垫：2 ( 2 5 ) 垤b nd 将爱因斯坦关系带入( 2 5 ) 得( 为空穴迁移率) ： t k t a i 1 1 2 pp l2 寄 2 1 3i c - v b e 的非理想特性 ( 2 6 ) ( 2 4 ) 所描述的理想的指数特性表明，如果两个项同的p n p 管的集电极偏置 电流之比为p ：1 ，则它们的射基结电压之差具有p t a t 特性： 7 = 2 一l = = l n p ( 2 7 ) g 此处所得av b e 随绝对温度成正比变化，而( 2 4 ) 中v b e 具有一个负的温度系 数，因此，将av b e 与v b e 按照一定比例相加，得到一个不随温度变化的基准电压 v r e f 。 6 山东人学顾l 学位论文 t e m p e r a t u r eo c ) 啼 图2 2 v b e 与v b e 的温度特性以及v r e f 的产生 以上在讨论集电极电流i c 时，只考虑到基极空穴的扩散，实际上，集基结载 流子的产生和集电极少子的扩散会导致i c 中产生一个漏电流成分。为解决这个问 题，可将集基结的偏置电压置为零，即将集电极与基极短路，即v a c = o 。 但是，v b c = o 的情况下，上述基区的靠近集电极的一侧空穴浓度为零的假设不 再成立，此时这一空穴浓度为基区的平衡载流子浓度p n 0 ，因此，应将( 2 3 ) 中的p n ，锄 取代为( p n ，锄一p n o ) 【1 4 】，( 2 3 ) 变为： l 州e x p ( 鲁) _ 1 ) 由此得到的a v b e 为： = 等n c 甓等，= 等n c p 一丢c p 叫， ( 2 8 ) ( 2 9 ) 要使v a e 具有良好的p ，i a t 特性，则要求i c l 远大于i s 。但是，集电极电流并 不能无限制的增大，过大的集电极电流将会导致严重的自热效应，且会在各极的串 联欧姆电阻上产生一个很大的压降，更严重的是集电极电流过大将会导致大注入， 即基区少子浓度不再远小于多子浓度，大注入是，指数项变为q v b e ( 2 k t ) 1 4 。 综上所述，p n p 管的集电极电流i c 必须远大于i s 且不导致大注入，工作于这种 状态的p n p 管材能用来产生正比于绝对温度的电压信号。 2 1 4i e - v b e 的非理想特性 c m o s 工艺下p n p 管的集电极由衬底组成，必须接地，因此p n p 管的偏置必须接 成以下图2 3 形式 1 2 ，此时集电极电流为： 厶= 厶一厶卸f = 南 ( 2 1 0 ) 为p n p 管的共基极增益，屏为共发射极增益，理想情况下应等于1 。 7 山东大学硕一l ：论文 li b i a s - i - v b e 图2 3 二极管连接的p n p 管 结合( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) ，要获得精确的p t a t 电压，郎无需接近于1 ，但是须 不随偏置电流而变。可分解为 1 4 】： 口尸= y a7 6 ( 2 1 1 ) y 为发射极注入系数，a t 为基区传输系数，6 为射基结载流子复合系数。y 和a t 都正比于e x p ( q v b e k t ) ，而6 正比于e x p ( q v b e n o k t ) ，n o 取值在2 到4 之间。 也就是说，只有6 将会导致a f 随偏置电流变化，所幸的是，偏置电流较大的情况下， e x p ( q v b e n o k t ) 项项对于其它项是可以忽略的。 综上所述，接成二极管连接的p n p 管只有在满足其共基极增益a f 不随偏置电 流变化的情况下，才能用于产生j 下比于绝对温度的电压。并不是所有的双极型晶体 管都满足这个条件，而c m o s 工艺下的衬底寄生双极型晶体管就满足这个特性，本 章以后边将详细讨论这个问题。 2 2c m o s 工艺下双极型晶体管的实现 c m o s 工艺下没有单独的实现双极型晶体管的工艺，双极型晶体管只能作为寄生 器件来实现。常见的c m o sn 阱工艺下，具有以下两种双极型晶体管：衬底寄生双 极型晶体管，即纵向寄生双极型晶体管和横向寄生双极型晶体管。它们的纵向剖面 图如图2 4 所示 1 2 。 山东人学硕一l ：学位论文 p o l y ( a ) a i b ( b ) 图2 4 ( a ) 横向寄生双极型晶体管剖面图 ( b ) 衬底寄生双极型晶体管剖面图 如图2 4 ( a ) 所示，横向寄生双极型晶体管的发射极和集电极由m o s 管的源漏 极p + 注入区构成，基极由n 阱组成。横向寄生双极型晶体管的扩散电流在表面以下 工作，这使得横向寄生双极型晶体管具有非常好的低1 f 噪声性能。横向寄生双极 型晶体管有一个重要的缺陷，即横向寄生双极型晶体管结构中不可避免的同时存在 一个衬底寄生双极型晶体管( p + 注入作发射极，n 阱作基极，衬底作集电极) ，这导 致横向寄生双极型晶体管发射极电流有3 0 左右泄漏到衬底。 理论上，只要i c - v b e 特性足够好，发射极电流的泄漏不影响横向寄生双极型晶 体管在温度传感器中的应用，但实际上，i c - v b e 的指数特性非常不理想，偏置电流 稍大的情况下都会产生电流拥挤，导致横向寄生双极型晶体管的许多参数如串联欧 姆电阻、共基极电流增益等都随偏置电流而变化 8 ，这恰恰与( 2 9 ) 一( 2 1 1 ) 推 导出的共基极电流增益不应随偏置电流而变化的要求项悖。 衬底寄生双极型晶体管结构如图2 3 ( b ) 所示，它的集电极由衬底组成，因此 必须接最低电位，也就是说衬底寄生双极型晶体管必须接成共集电极形式，偏置电 流从发射极引入，这限制了它在运放等方面的应用。由图中可以看出，衬底寄生双 极型晶体管的基区宽度就是n 阱的深度，这是它最大的结构特点，这个结构特点将 会导致它具有以下的优缺点： 1 基区宽度过大，导致衬底寄生双极型晶体管与双极工艺下的双极型晶体 管甚至项同的c m o s 工艺下横向寄生双极型晶体管项比，其共发射极 电流增益bf 非常小，且随工艺尺寸减小，bf 值越来越小 2 2 ，如s m i c 0 1 8 u m 下bf 值大约为5 。 2 大尺寸的基区宽度，使得流过基极的电流中，正比于e x p ( q v s e k t ) 的项 远大于导致bf 随偏置电流变化的其它非理想项，也就是说，大的基区 宽度保证了bf 几乎不随偏置电流而变化。 3 由公式( 2 6 ) ，w b 越大时，相同工艺尺寸下，工艺偏差导致的w b 的相 对误差就越小，因此饱和电流对工艺偏差就相对越不敏感。 4 反厄雷效应导致的v b e 对基区的调制作用的影响也随着w b 的增大而减 小。 综上所述，衬底寄生双极型晶体管的种种优势，决定了它更适合作为温度传感 器中的应用。 9 山东人学硕1 ：论文 2 3 双极型晶体管的温度特性 双极型晶体管射基结偏压v b e 的温度特性取决于饱和电流i s 的温度特性；对 于从发射极进行偏置的衬底寄生双极型晶体管，共基极增益qf 的温度特性也很重 要。 2 3 1 饱和电流l s 的温度特性的影响 为考察i s 的温度特性，需费对( 2 6 ) 式中各坝的温度特性进仃考祭： ，：生! 塑三鲨盟 3 w b nd 其中，本征载流子浓度n i 的温度特性可以表示为 1 5 】： n i 2 芘t ，e x p ( 掣) 1 1 其中，v g 是硅的带隙电压，它是温度的线性函数： 以( 丁) = k o a t v g o 是硅的0 k 带隙电压；空穴迁移率j 下比于绝对温度t 的( - n ) 次幂 1 0 】， 中基区宽度w a 的随温度变化基本上可以忽略。由上述各项的温度特性可得： l ：c t 7e x p ( q ，v g 。) 其中c 为常数，r l = 4 - n 。将( 2 1 5 ) 代入( 2 1 2 ) 得： t ( r ) ：c t e x p ( q v s s ( 。r ，) - v g o ) ( 2 1 6 ) 又可改写为： ( 丁) = 名o ( 1 一争+ 号( 乃) 一刀等h ( 争+ 等h ( 器) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 其中，t r 为选取的某个基准温度。 可以将v b e ( t ) 的表达式改写为常数项，温度的线性项，和温度的非线性项三部 分 8 ： ( 丁) = v b e o 一2 t + c ( 丁) ( 2 1 8 ) 1 0 其中：见= 丝墅二t 竖r 量! 互! ，v b 即是将v b e 的值外推到o k 时的值。 集电极电流i cj 下比于绝对唯独t 的m 次方时， 山东大学硕。l j 学位论文 c ( 丁) = 孝( 刁一所) ( 丁一乃一r l n ( 号) )g_ f ， t e m p e r a t u r e ( 。c ) _ + e 、一 g 百 m l 3 肖 之 3 o ( 2 1 9 ) 5 0 2 502 55 07 51 0 0 1 2 5 t e m p e r a t u r ec ) c ) 图2 5 ( a ) i s 的温度特性导致的v b e 的非线性 ( b ) 曲率c ( t ) 随温度的变化 图2 5 ( a ) 定性画出了i s 的温度特性导致的v b e 的非线性，2 5 ( b ) 定量描述 了非线性项c ( t ) 以( r l m ) 为参数的值定量变化。取室温3 0 0 k 为参考电压， 取t 1 的经验值4 ，并假设i c 正比于绝对温度t ，则在一5 0o c 1 0 0 0 c 范围内，非线性 项c ( t ) 的值约为3 m v 。 2 3 2 电流增益的温度特性的影响 对于由发射极偏置的p n p 管，其集电极电流是由qf 决定的，如果qf 随温度 变化比较大，当计算v b e 的温度特性时就必须记入qf 的影响。qf 的温度特性可由 1 3f 的温度特性推出： 州耻尚 1 3f ( t ) 可由以下经验公式表示 8 ： ，( 丁) = f 。( 争) x r 一 将l ( r ) = 口，( 丁) 厶( 丁) 代入( 2 1 7 ) 得： ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 0 5 1 5 2 5 3 5 4 5 5 5 6 5 7 ntz&一审lrj良 - - - 山东人学硕l 论文 ( 丁) = ( 丁) b 常数+ ( 2 2 2 ) 当1 3f o 远大于1 时，( 2 2 2 ) 中温度偏差可以约掉，但是，实际情况是，c m o s 工艺下衬底寄生双极型晶体管1 3f o 约等于5 ，1 3f 的温度特性会使得v b e 在1 0 00 c 下 产生约2 5 m v 的偏差，由2 2 部分的分析可知，对于高精度c m o s 温度传感器，这 样大的偏差是不可接受的，在不能改变电流增益的温度特性的情况下( 因为这一特 性是由材料的温度特性决定的) ，必须采取相应的措施消除衬底寄生双极型晶体管 电流增益比较小的缺陷带来的影响，这个问题将在2 2 中解决。 2 3 3 偏置源中电阻的温度特性的影响 偏置电流i b i a s 一般是由偏置电压v b i a s 除以电阻r b i a s 得到的。假设i b i a s 正 比于绝对温度t 的m 次方，且偏置电流加在双极型晶体管的集电极，则有： 砸，= 篇c 争 汜2 3 ， 假设电阻r b i a s 的一阶温度系数为qt c r i ，忽略二阶温度系数的影响，将r b i a s 展开有： r 胁( 丁) = r o ( 1 + 口舰i ( r z ) ) ( 2 2 4 ) 将( 2 2 3 ) 、( 2 2 4 ) 代入( 2 1 7 ) 得： ( 乃= ( 列= 撇一等l i 】( 1 + 。口一t r ” ( 2 2 5 ) 1 2 著 - 。一 些 e 彗 艿 t e m p e r a t u r efc)temperaturep c ) ( a )( b ) 图2 6( a ) 电阻的一阶温度系数对v b e 的影响； ( b ) 电阻的一阶温度系数导致的v b e 的曲率 不同的qt c r i 值对v b e 的影象如图2 6 ( a ) 所示，可见，qt c r l 不仅影响v b e 的 咿虿 一 + 一 +0 一 h 坚g 5 4 3 2 1 0 1 2 乏j)jn鼍8一罂耋pp 山东人学硕士学位论文 温度系数，还影响v b e 的曲率，qt c r l 对v b e 的曲率的影响如图2 6 ( b ) 所示，当电 阻的温度系数为负值时，v b e 的曲率变化与i s 的温度特性导致的v b e 的曲率是相反 的，一个开口向上，一个开口向下，正好可以相互补偿。对图2 5 ( b ) 中r 1 = 3 的典 型值时i s 造成的曲率与当qt c r