動(dòng)態(tài)閾值控制技術(shù)及其在SOICMOS電路中的應(yīng)用

1、中國(guó) 無(wú)錫 2005年1月1動(dòng)態(tài)體控制技術(shù)在動(dòng)態(tài)體控制技術(shù)在SOI CMOSSOI CMOS低壓低功耗電路中的應(yīng)用低壓低功耗電路中的應(yīng)用 劉劉 忠忠 立立中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所2005 年1月中國(guó) 無(wú)錫 2005年1月2主要內(nèi)容一、引言 浮體二、動(dòng)態(tài)體控制及在低壓低功耗電路中的應(yīng)用二、動(dòng)態(tài)體控制及在低壓低功耗電路中的應(yīng)用 1）SOI動(dòng)態(tài)體控制的工作原理2）SOI動(dòng)態(tài)體控制的100級(jí)倒相鏈 三、三、DTMOS器件器件 四、四、DTMOS反相器反相器 五、五、DTMOS緩沖器緩沖器 六、其它六、其它DTMOS器件器件七、結(jié)語(yǔ) 中國(guó) 無(wú)錫 2005年1月3一、引言 浮體 在PD(部分耗盡)SOI M

2、OSFET中,導(dǎo)電硅膜下方存在中性浮體。當(dāng)器件導(dǎo)通時(shí)，浮體會(huì)造成器件閾值電壓降低，并使漏極電流突然上升，這便是Kink(扭曲)效應(yīng)。這一效應(yīng)對(duì)CMOS電路，特別是CMOS模擬電路有不良影響。 為了減小及避免Kink效應(yīng), 常采用體引出技術(shù)：即將中性體引出接地或接某一固定電位，及時(shí)排出積累的空穴。 同時(shí)，體作為一個(gè)電極，增加了SOI MOSFET閾值特性控制的自由度，并可以將它用于改善低壓低功耗SOI CMOS電路特性。 中國(guó) 無(wú)錫 2005年1月4二、動(dòng)態(tài)體控制技術(shù)及動(dòng)態(tài)體控制技術(shù)及在低壓低功耗電路中的在低壓低功耗電路中的應(yīng)用應(yīng)用 中國(guó) 無(wú)錫 2005年1月5低壓低功耗電路的矛盾 對(duì)于低電源電

3、壓的VLSI電路，CMOS器件的閾值電壓輻度VT不能大。 對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的體硅CMOS器件，從亞閾值漏電電流考慮，VT輻度又不能太??；當(dāng)太小時(shí)亞閾值漏電電流太大，使動(dòng)態(tài)電流及低功耗應(yīng)用成為問(wèn)題。 而SOI結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)浮體的動(dòng)態(tài)控制，可以用于低壓(0.7v，因?yàn)闁牌?.7v，體源結(jié)正偏，便有過(guò)大的漏電電流使亞閾特性變壞。 中國(guó) 無(wú)錫 2005年1月13四、DTMOS反相器圖6 DTMOS反相器 前面描述的DTMOS器件，適用于電源電壓0.7v的的情況，可以采用輔助晶體管增加電源電壓。這個(gè)電路的優(yōu)點(diǎn)可以用研究下拉工作來(lái)認(rèn)識(shí)。當(dāng)輸入信號(hào)從低開關(guān)至高時(shí)，主晶體管及輔助晶體管MN,main/MN,aux均導(dǎo)通

4、。此時(shí)，主晶體管MN,main的體通過(guò)MN,aux充電，因而MN,main的體電位增加，使其VT下降。結(jié)果，MN,main的驅(qū)動(dòng)能力提高，于是得到較快的下拉。在下拉過(guò)程中，MN,aux的源，即MN,main的體，比漏電壓更高，因而MN,main體積累的電荷返回流入到漏。結(jié)果，MN,main的體電位恢復(fù)到地電平 ， 所 以 V T 又 返 回 到 原 始 值 。 因 為MN,main的體通過(guò)MN,aux連接到柵上的而不是未直接連接到柵上，這樣工作電壓可以超過(guò)二極管電壓而無(wú)需擔(dān)心過(guò)大的漏電電流. 上拉的工作原理類似，僅NMOS用PMOS代替而已。 中國(guó) 無(wú)錫 2005年1月14五、DTMOS緩沖器

5、圖7 DTMOS緩沖器電路 在前面提到的DTMOS反相器中，動(dòng)態(tài)閾值技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)并未完全發(fā)揮。圖7給出的DTMOS緩沖器則有所改善。 在第二級(jí)反相器中，用PMOS代替MN,AUX，用NMOS代替MP,AUX。結(jié)果是，一旦本級(jí)主晶體管開始工作，SOI動(dòng)態(tài)閾值技術(shù)在剛開頭時(shí)就完全起作用。 這一取代在下拉工作時(shí)的優(yōu)點(diǎn)可以從圖8看出。 中國(guó) 無(wú)錫 2005年1月15圖8 將PMOS輔助晶體用于NMOS主晶體管，在下拉工作時(shí)具有優(yōu)點(diǎn)的說(shuō)明。 從圖8看出，在Np 結(jié)構(gòu)(N主p輔)中，當(dāng)前級(jí)的輸入達(dá)到VDDVtp時(shí)，PMOS輔助晶體管就開始給NMOS主晶體管充電。 而在Nn結(jié)構(gòu)中(N主n輔)，為了使輔助晶體管

6、激勵(lì)，NMOS晶體管的柵壓需從0V上升到Vtn+VBE(注：Vtn是NMOS輔助晶體管的閾電壓，VBE是NMOS主晶體管的體源結(jié)電壓)。 因而，Np 結(jié)構(gòu)的電流驅(qū)動(dòng)能力比N-n結(jié)構(gòu)強(qiáng)。 中國(guó) 無(wú)錫 2005年1月16六、其他DTMOS器件圖9 其他類型的SOI DTMOS反相器， (c)公共柵NMOS輔助器件及其漏控制體的SOI DTMOS，(d)漏柵相連后同主晶體管公共柵的DTMOS器件 同(c)的NMOS輔助晶體管的漏連接到主晶體管的漏是不同的，(d)中NMOS輔助晶體管的柵漏一起連到主晶體管柵上，以得到動(dòng)態(tài)閾值電壓控制。在這種新的DTMOS結(jié)構(gòu)中，主晶體管的體通過(guò)輔助晶體管直接受主晶體管控制。由于在主晶體管的柵和體之間加了NMOS輔助晶體管，因而電源電壓可以提高且柵的漏電電流可以得到改善。這種新器件最大的電源電壓可以達(dá)到2V。 同(c)比較，(d)閾值電壓更低，而漏極電流更大。此外，(d)的亞閾值行為得到改善而漏電電流降低，而且還可以得到大的有效遷移率。中國(guó) 無(wú)錫 2005年1月17七、結(jié)語(yǔ) 浮體造成PD SOI MOSFET漏特性曲線的Kink(扭曲)效應(yīng)，使SOI CMOS電路，特別是使SOI CMOS摸擬電路的特性變壞。 另一方面，體作為一