动态阈值控制技术及其在SOICMOS电路中的应用

1、中国 无锡 2005年1月1动态体控制技术在动态体控制技术在SOI CMOSSOI CMOS低压低功耗电路中的应用低压低功耗电路中的应用 刘刘 忠忠 立立中国科学院半导体研究所2005 年1月中国 无锡 2005年1月2主要内容一、引言 浮体二、动态体控制及在低压低功耗电路中的应用二、动态体控制及在低压低功耗电路中的应用 1）SOI动态体控制的工作原理2）SOI动态体控制的100级倒相链 三、三、DTMOS器件器件 四、四、DTMOS反相器反相器 五、五、DTMOS缓冲器缓冲器 六、其它六、其它DTMOS器件器件七、结语 中国 无锡 2005年1月3一、引言 浮体 在PD(部分耗尽)SOI M

2、OSFET中,导电硅膜下方存在中性浮体。当器件导通时，浮体会造成器件阈值电压降低，并使漏极电流突然上升，这便是Kink(扭曲)效应。这一效应对CMOS电路，特别是CMOS模拟电路有不良影响。 为了减小及避免Kink效应, 常采用体引出技术：即将中性体引出接地或接某一固定电位，及时排出积累的空穴。 同时，体作为一个电极，增加了SOI MOSFET阈值特性控制的自由度，并可以将它用于改善低压低功耗SOI CMOS电路特性。 中国 无锡 2005年1月4二、动态体控制技术及动态体控制技术及在低压低功耗电路中的在低压低功耗电路中的应用应用 中国 无锡 2005年1月5低压低功耗电路的矛盾 对于低电源电

3、压的VLSI电路，CMOS器件的阈值电压辐度VT不能大。 对于标准的体硅CMOS器件，从亚阈值漏电电流考虑，VT辐度又不能太小；当太小时亚阈值漏电电流太大，使动态电流及低功耗应用成为问题。 而SOI结构，通过对浮体的动态控制，可以用于低压(0.7v，因为栅偏0.7v，体源结正偏，便有过大的漏电电流使亚阈特性变坏。 中国 无锡 2005年1月13四、DTMOS反相器图6 DTMOS反相器 前面描述的DTMOS器件，适用于电源电压0.7v的的情况，可以采用辅助晶体管增加电源电压。这个电路的优点可以用研究下拉工作来认识。当输入信号从低开关至高时，主晶体管及辅助晶体管MN,main/MN,aux均导通

4、。此时，主晶体管MN,main的体通过MN,aux充电，因而MN,main的体电位增加，使其VT下降。结果，MN,main的驱动能力提高，于是得到较快的下拉。在下拉过程中，MN,aux的源，即MN,main的体，比漏电压更高，因而MN,main体积累的电荷返回流入到漏。结果，MN,main的体电位恢复到地电平 ， 所 以 V T 又 返 回 到 原 始 值 。 因 为MN,main的体通过MN,aux连接到栅上的而不是未直接连接到栅上，这样工作电压可以超过二极管电压而无需担心过大的漏电电流. 上拉的工作原理类似，仅NMOS用PMOS代替而已。 中国 无锡 2005年1月14五、DTMOS缓冲器

5、图7 DTMOS缓冲器电路 在前面提到的DTMOS反相器中，动态阈值技术的优点并未完全发挥。图7给出的DTMOS缓冲器则有所改善。 在第二级反相器中，用PMOS代替MN,AUX，用NMOS代替MP,AUX。结果是，一旦本级主晶体管开始工作，SOI动态阈值技术在刚开头时就完全起作用。 这一取代在下拉工作时的优点可以从图8看出。 中国 无锡 2005年1月15图8 将PMOS辅助晶体用于NMOS主晶体管，在下拉工作时具有优点的说明。 从图8看出，在Np 结构(N主p辅)中，当前级的输入达到VDDVtp时，PMOS辅助晶体管就开始给NMOS主晶体管充电。 而在Nn结构中(N主n辅)，为了使辅助晶体管

6、激励，NMOS晶体管的栅压需从0V上升到Vtn+VBE(注：Vtn是NMOS辅助晶体管的阈电压，VBE是NMOS主晶体管的体源结电压)。 因而，Np 结构的电流驱动能力比N-n结构强。 中国 无锡 2005年1月16六、其他DTMOS器件图9 其他类型的SOI DTMOS反相器， (c)公共栅NMOS辅助器件及其漏控制体的SOI DTMOS，(d)漏栅相连后同主晶体管公共栅的DTMOS器件 同(c)的NMOS辅助晶体管的漏连接到主晶体管的漏是不同的，(d)中NMOS辅助晶体管的栅漏一起连到主晶体管栅上，以得到动态阈值电压控制。在这种新的DTMOS结构中，主晶体管的体通过辅助晶体管直接受主晶体管控制。由于在主晶体管的栅和体之间加了NMOS辅助晶体管，因而电源电压可以提高且栅的漏电电流可以得到改善。这种新器件最大的电源电压可以达到2V。 同(c)比较，(d)阈值电压更低，而漏极电流更大。此外，(d)的亚阈值行为得到改善而漏电电流降低，而且还可以得到大的有效迁移率。中国 无锡 2005年1月17七、结语 浮体造成PD SOI MOSFET漏特性曲线的Kink(扭曲)效应，使SOI CMOS电路，特别是使SOI CMOS摸拟电路的特性变坏。 另一方面，体作为一