【導(dǎo)讀】研究工作所取得的成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式注明。除此之外，本論文不包含任何其他個(gè)人?；蚣w已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的作品成果。本人完全意識(shí)到本聲明的法律

　　

【正文】 SFET 的 閾值電壓 VTH的定義為： 剛好形成載流子溝道時(shí)的柵電壓值。 可以證明： oxd e pFMSTH CQV ??? ?? 2 (31) )ln()(isubF nNqkT?? (32) 在 式 (31)中 ,ΦMS 為多晶硅柵和硅襯底的功函數(shù)之差的電壓 值，其中 Qdep 是耗盡區(qū)的電荷， Cox 是單位面積的柵氧化層電容 。 ΦF 的計(jì)算公式由 (32)給出，其中 Nsub 是襯底的摻雜濃度 。 由于超大規(guī)模 集成電路的設(shè)計(jì)已經(jīng) 邁入 深亞微米時(shí)代， MOS 器件的尺寸也相應(yīng)的越做越小， MOSFET 的溝道長(zhǎng)度和寬度也越來(lái)越小。 上式在求解理想 MOS 管的閾值電壓時(shí)， 沒(méi)有考慮到 溝道在源、漏兩端的邊緣效應(yīng)。 研究者發(fā)現(xiàn) ， 源端和襯端，漏端和襯端 形成的 PN 結(jié)的耗盡層 會(huì) 延伸到溝道。在長(zhǎng)溝道器件中， 延伸區(qū)所占整個(gè)溝道比例可以忽略不計(jì)。 但 是 當(dāng)溝道長(zhǎng)度 不斷 變短時(shí)， 這部分長(zhǎng)度所占的比例就不可忽視了。導(dǎo)致了位于柵極下方的硅表面實(shí)現(xiàn)反型所需的電荷量越來(lái)越小，閾值電壓也變得越來(lái)越小，這種效應(yīng)被稱(chēng)作短溝道效應(yīng)(Shortchannel effects)。 同樣的 ， 源端和襯端，漏端和襯端形成的 PN 結(jié)的 耗盡層也會(huì)向?qū)挾确较虻?進(jìn)行延伸 ，使得 溝道變窄， MOS 管的閾值電壓比理想模型下 有所上升 ，這就是窄溝道效應(yīng)(Narrowchannel effects)。 短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)的閾值電壓的變化趨勢(shì)由 圖 所示。 圖 閾值電壓 與 溝道長(zhǎng)度 及 溝道寬度的變化 關(guān)系 3. 工作在亞閾值區(qū)的傳統(tǒng) MOSFET 模型 16 亞閾值區(qū) MOSFET 的 I～ V 特性 當(dāng) VGSVTH 時(shí)， 理論上 MOS 器件會(huì)處于夾斷狀態(tài)，漏源端沒(méi)有任何 電流流動(dòng)。然而，事實(shí)上 MOSFET 的漏源電流并不等于零，還會(huì)有一小股電流通過(guò)器件，該電流稱(chēng)之為“亞閾電流”，這個(gè)工作區(qū)域也稱(chēng)為“亞閾值區(qū)” (Subthreshold region， 也被稱(chēng)作“弱反型區(qū)” )，亞閾值 電流是 MOS 管的源、漏端載流子的濃度差產(chǎn)生的擴(kuò)散電流，與電壓不再滿(mǎn)足平方關(guān)系。這種效應(yīng)稱(chēng)為 “ 亞閾值導(dǎo)電 ” 。這一效應(yīng)可用公式表示為 )]e x p (1)[e x p ()( 2TVqV VVVLWCI DSTH THGSTOXDS ??? ???? (33) 式 (33)中 , mTTTT ?? ))(()(00??是一個(gè)與溫度有關(guān)的工藝參數(shù)，其中 m 作為一個(gè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)一般取 1～ 2 之間 。 器件工作在亞閾值區(qū)域時(shí)， 雖然 工作電流很小， 但是亞閾值電流能夠通過(guò)柵極電壓方便的進(jìn)行控制，因而 有利于進(jìn)行 低壓、 低功耗的設(shè)計(jì)。 亞閾值 MOSFET 柵源電壓的溫度特性 根據(jù)上一節(jié)式 (33)可以 推導(dǎo)出 亞閾值 MOS 管的柵源電壓 (Vgs)的 表達(dá)式： ])/)((ln [ 200 TOXmDSTTHGS WVCTTTn LInVVV ??? ? (34) 為了簡(jiǎn)化分析，在這里我們假設(shè)電流是恒定的，并且把經(jīng)驗(yàn)參數(shù) m 定為 2， 令 柵源電壓對(duì)溫度求導(dǎo) 可 得： ])(ln[ 2020TOXDSTTHGS WVCTn LTIVTVTV ??????? (35) 式 (35)中 ,2020)( TOXDS WVCTn LTI?項(xiàng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 1，所以 表達(dá)式中 第二項(xiàng)為負(fù)值。又因?yàn)殚撝惦妷?具有負(fù)溫度系數(shù) ， 因此柵源電壓與溫度的導(dǎo)數(shù)為負(fù)值，也就是說(shuō) 柵源電壓 Vgs 具有負(fù)溫度系數(shù) 。并且根據(jù)實(shí)驗(yàn)可以證明，當(dāng)漏源電流 Ids 為一定值時(shí)， Vgs 具有線性的負(fù)溫度特性，因此利用該特性可以構(gòu)造工作在亞閾值區(qū)的基準(zhǔn)源。 然而，事實(shí)證明恒定的亞閾值電流 Ids 是很難在電路中實(shí)現(xiàn)的，而 IPTAT 電流源卻比較容易實(shí)現(xiàn)。因此，大多數(shù)設(shè)計(jì)者都是在電路中構(gòu)造 IPTAT 電流源，以獲取柵源電壓 Vgs 的負(fù)溫度特性。 3. 工作在亞閾值區(qū)的傳統(tǒng) MOSFET 模型 17 傳統(tǒng)亞閾值 MOSFET 基準(zhǔn)源電路模型 根據(jù)之前小節(jié)的分析，可以得 出使用工作在亞閾值區(qū)的 MOSFET 取代過(guò)去帶隙基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)中的雙極晶體管來(lái)構(gòu)造新型低功耗基準(zhǔn)參考源電路是可行的方案。在現(xiàn)今集成電路工藝下，純 CMOS 基準(zhǔn)參考源電路有許多傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源不具備的優(yōu)勢(shì)。包括成本低、功耗小、電壓低、工藝兼容等。 一種傳統(tǒng)的亞閾值 MOSFET 基準(zhǔn)源電路工作原理如圖 所示，由前面的分析可知，當(dāng) MOS 管工作在亞閾值狀態(tài)下時(shí)，其柵源電壓 Vgs 具有負(fù)溫度系數(shù)，而熱電壓 VT 具有正的溫度系數(shù)，因此可以結(jié)合兩者特性構(gòu)造與溫度無(wú)關(guān)的基準(zhǔn)電壓源： TGSREF VVV ??? (36) 通過(guò)調(diào)整系數(shù) α 的值，可以使上式中的 Vref 在一個(gè)特定溫度下溫度系數(shù)為 0，由于 Vgs由 MOS 管的偏置電流決定，因此構(gòu)造一個(gè)穩(wěn)定的偏置電流是電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。然而這個(gè)電路也有其局限性，因?yàn)榛鶞?zhǔn)輸出的值只能在特定的溫度下保持恒定，溫度系數(shù)這項(xiàng)性能指標(biāo)很差。 圖 基準(zhǔn)電壓源 原理圖 4. 工作在亞閾值區(qū)的新型基準(zhǔn)電壓源 18 電路基本介紹 工作在亞閾值區(qū)的 MOSFET 電路在低壓、低功耗設(shè)計(jì)中變得越來(lái)越流行。低功耗指標(biāo)對(duì)于許多易攜帶電子設(shè)備是十分有吸引力的，例如可攜帶的醫(yī)療設(shè)備或者無(wú)源無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù) (RFIDs)，對(duì)于它們來(lái)說(shuō)功耗優(yōu)化是最重要的。低功耗設(shè)計(jì)還廣泛應(yīng)用于微型無(wú)線傳感器 (Wireless Microsensors )，生物醫(yī)學(xué)植入物 (Biomedical Implants)以及智能傳感網(wǎng)絡(luò) (Smart Sensor Network)等新型設(shè)備中。 在對(duì)電路功耗優(yōu)化的過(guò)程中，靜態(tài)電流成為了一個(gè)技術(shù)瓶頸，減小靜態(tài)電流是延長(zhǎng)可攜帶設(shè)備電池運(yùn)行效率的關(guān)鍵。并且，偏置于亞閾區(qū)的器件對(duì)溫度的變化、工藝的變化、尤其是亞閾值電壓的消散非常敏感。這些都為設(shè)計(jì)者帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。 在本次論文中，工作在亞閾值區(qū)用來(lái)最小化供電電壓和功耗損失。本文描述了一個(gè)基于工作在亞閾值區(qū)的溫度補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)的新型 CMOS 電壓基準(zhǔn)源的構(gòu)想。在這個(gè)電路中，采用了兩個(gè)擁有不同閾值電壓的 n 溝道 MOSFETs，由于室溫下兩閾值電壓的差異， BGR 的輸出基準(zhǔn)電壓可被估算出來(lái)。 許多電路 系統(tǒng)都至少有三個(gè)電流分支，而在本電路中，電流產(chǎn)生模塊和有源負(fù)載模塊集成到一個(gè)分支上，因此核心電路只有兩個(gè)分支。與眾多文獻(xiàn)中的電路相比，本文提出的電路構(gòu)造的最大的特征是是功耗特別小。通過(guò)仿真可知，設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)源擁有較低的溫度系數(shù)以及低頻率下合格的電源抑制比。 電路設(shè)計(jì)原理 一款基于亞閾值區(qū)兩閾值電壓不同的 MOSFET 器件構(gòu)造的基準(zhǔn)電壓源如下圖所示，SVT 器件 M1 擁有標(biāo)準(zhǔn)的閾值電壓 (Standard Voltage Threshold)， HVT 器件 M2 擁有比較高的閾值電壓 (High Voltage Threshold)。 圖 典型亞閾值基準(zhǔn)源 4. 工作在亞閾值區(qū)的新型基準(zhǔn)電壓源 19 M1 和 M2 都工作在亞閾值區(qū)，由前一章的分析可知，工作在亞閾值區(qū)的 NMOS 的 IV特性簡(jiǎn)單可以表示為： )e xp (0 T thgsD V VVILWI ??? (41) 20 )1( Tox VCI ?? ?? (42) 從圖 可以得到輸出基準(zhǔn)電壓為： )l n (21121212 Kt KtqkTVVVVVoxoxththgsgsbg ?????? (43) 式 (43)中， Kn=(W/L)n(即表示 n 器件的寬長(zhǎng)比 )， η 是亞閾值理想因子， tox 是柵氧化層厚度。由于 MOSFET 的閾值電壓 VTH具有負(fù)溫度特性，因此 (43)式右端第 一項(xiàng) (VTH2VTH1)可以充當(dāng)基準(zhǔn)源的負(fù)溫度電壓產(chǎn)生部分，第二項(xiàng)可以充當(dāng)基準(zhǔn)源的正溫度電壓產(chǎn)生部分。當(dāng)選取合適寬長(zhǎng)比的 M1 和 M2 令下式成立時(shí)，就可以得到一個(gè)與溫度無(wú)關(guān)的基準(zhǔn)源。 0???TVbg (44) 通過(guò)研究工作在亞閾值區(qū)的 NMOS 的 IV 特性，可知當(dāng)漏源電壓 Vds 大于四倍的熱電壓 VT 時(shí)，注入電流的公式可以簡(jiǎn) 化為： )e xp()1( 2* 13232113TTHTHTHTNNNoxoxoxn V VVVVK KKttCI ??? ???? (45) 公式 (45)中的 μn 是載流子的遷移率， Cox 是單位面積的柵氧化層電容， VT=kBT/q 是熱電壓 (kB 是玻爾茲曼常數(shù)， q 是基本電荷， T 是絕對(duì)溫度 )。 VTH*是閾值電壓的體效應(yīng)，可表示為： )22(* FSBFTHTH VVV ?????? ? (46) 公式 (46)中 γ 是體效應(yīng)常數(shù)， ΦF 是費(fèi)米電子勢(shì)， VSB 是源襯電壓，如果 VSB=0，則VTH*=VTH(T0)+k(TT0),T0是基準(zhǔn)溫度， k是閾值電壓 VTH的負(fù)溫度系數(shù)。根據(jù) TSMC μm工藝參數(shù)，式 (46)中括號(hào)內(nèi)第二項(xiàng)可以估算為 ( η1)VSB[31]，因此 (46)可以被寫(xiě)為： SBTHTH VTTkTVV )1()()( 00* ????? ? (47) 結(jié)合 (45)和 (47)可得， Vref 表示 為： 311302 ln)]([1NNoxoxTTHGSr e f KKttVTTkVVV ??????? ? (48) 式中， Δ VTH(T0)=VTH3(T0)VTH1(T0)， Δ k=k3k1， Vref 的表達(dá)式對(duì)溫度求偏導(dǎo)，當(dāng)其值為 0 時(shí)，基準(zhǔn)電壓就與溫度無(wú)關(guān)。推導(dǎo)可得： 4. 工作在亞閾值區(qū)的新型基準(zhǔn)電壓源 20 )e xp (3131 ??BoxoxNN kqttKK ??? (49) 電路具體設(shè)計(jì) 電路原理圖 電路原理圖僅由兩部分構(gòu)成，分別是啟動(dòng)電路和基準(zhǔn)電源輸出電路。如圖 所示，在基準(zhǔn)電源輸出電路中所有的 MOSFETs 都工作在亞閾值區(qū)， NMOS 管 M1~3 用來(lái)產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓， PMOS 管 M4 和 M5 構(gòu)成了一個(gè)工作在亞閾值區(qū)的電流鏡用來(lái)為兩個(gè)分支提供相同比率的電流。由 MS0、 MS MS MS3 以及電容 C0 構(gòu)成的啟動(dòng)電路用來(lái)保證電路能進(jìn)入到正常工作狀態(tài)，并在電路正常工作的同時(shí)啟動(dòng)電路關(guān)閉。電路中所有的晶體管都是標(biāo)準(zhǔn)閾值MOSFETs，即工藝 庫(kù)中的 pmos2v 和 nmos2v，除了 MS2 和 M3，它們是高閾值 MOSFETs，即工藝庫(kù)中的 nmos3v。 圖 基準(zhǔn)電壓源電路原理圖 4. 工作在亞閾值區(qū)的新型基準(zhǔn)電壓源 21 器件參數(shù)的確定 將 (49)帶入到 (48)中，可以得到下式： ])([1000 kTTVV THr e f ???? ?