SOI 动态阈值MOS 研究进展

随着器件尺寸的不断缩小,传统MOS器件遇到工作电压和阈值电压难以等比例缩小的难题,以至于降低电路性能,而工作在低压低功耗领域的SOI DTMOS可以有效地解决这个问题。本文介绍了四种类型的SOI DTMOS器件．其中着重论述了栅体直接连接DTMOS、双栅DTMOS和栅体肖特基接触DTMOS的工作原理和性能．具体分析了优化器件性能的五种方案,探讨了SOI DTMOS存在的优势和不足。最后指出,具有出色性能的SOI DTMOS必将在未来的移动通讯和SOC等低压低功耗电路中占有一席之地。     

上海微系统所迈开SOI技术产业化大步

SOI是＂Silicon-on-insulator＂的简称,中文译为＂绝缘体上的硅＂。国际上公认,SOI是21世纪的微电子新技术之一和新一代的硅基材料,无论在低压、低功耗电路、耐高温电路、微机械传感器、光电集成等方面,都具有重要应用。上世纪90年代末,IBM大规模开展SOI技术的民用化,SOI被广泛用于超速计算机服务器中,     

低压低功耗模拟集成电路设计技术及展望

低压、低功耗模拟集成电路设计受到多种因素的制约。围绕这些制约因素,回顾了国内外在模拟集成电路低压、低功耗设计领域的方法和技术的发展现状,主要涉及:轨对轨设计技术、亚阈值工作区技术、阈值电压降低技术、组合晶体管技术、横向BJT技术、SOI技术等。分析并比较了各种设计方法的优劣;并对模拟电路低压低功耗设计技术的发展趋势进行了展望。     

高速SOI MOS器件及环振电路的研制

采用SOI/CMOS工艺成功地研制出沟道长度为0.8μm的SOI器件和环振电路,在5V和3V电源电压时51级环振的单门延迟时间分别为82ps和281ps,速度明显高于相应的体硅电路.由于采用硅岛边缘注入技术,寄生边缘管得到较好的抑制.对沟道宽度对SOI器件特性的影响进行了讨论.实验表明SOI器件是高速和低压低功耗电路的理想选择.     

文摘

SOI——突破硅材料与硅集成电路限制的新技术与体硅材料和器件相比,SOI具有许多独特的优越性,例如高开关速度、高密度、抗辐照、无闩锁效应等,因而被称为21世纪的微电子技术而引起人们越来越多的关注.SOI技术正走向商业应用阶段,特别是应用于低压、低功耗CMOS电路,抗辐照器件和高温电子器件等.结合第9届SOI工艺和器件国际会议的内容,综述了SOI材料和器件的最新进展.(NO.8)国内X射线光刻技术研究进展     

基于130 nm SOI工艺数字ASIC ESD防护设计

绝缘体上硅(SOI)工艺具有寄生电容小、速度快和抗闩锁等优点,成为低功耗和高性能集成电路(IC)的首选.但SOI工艺IC更易受自加热效应(SHE)的影响,因此静电放电(ESD)防护设计成为一大技术难点.设计了一款基于130 nm部分耗尽型SOI (PD-SOI)工艺的数字专用IC (ASIC).针对SOI工艺ESD防护设计难点,进行了全芯片ESD防护原理分析,通过对ESD防护器件、I/O管脚ESD防护电路、电源钳位电路和ESD防护网络的优化设计,有效减小了SHE的影响.该电路通过了4.5 kV人体模型ESD测试,相比国内外同类电路有较大提高,可以为深亚微米SOI工艺IC ESD防护设计提供参考.     

SOI技术问题和BSIM3SOIv1.3模型参数特点

SOI器件具有高速、低压、低功耗、抗辐照、耐高温等体硅器件不具备的优点,SOI CMOS技术开始用于深亚微米高速、低功耗、低电压大规模集成电路应用。但SOI技术还面临浮体效应、自加热效应等问题的挑战。作为SOI模型国际标准,BSIM3SOIv1.3提出了新的模型参数解决方案。BSIMPDSPICE器件模型是基于物理意义的模型,是在体硅MOS器件模型工业标准(BSIM3V3)的基础上开发而成,BSIMPD针对SOI固有的浮体效应引起的动态特性,自加热和体接触提出相应的模型参数。     

低压高速CMOS/SOI器件和电路的研制

采用全耗尽CMOS／SIMOX工艺成功地研制出了沟道长度为0．5μm的可在1．5V和3．0V电源电压下工作的SOI器件和环形振荡器电路．在1．5V和3．0V电源电压时环振的单级门延迟时间分别为840ps和390ps．与体硅器件相比，全耗尽CMOS／SIMOX电路在低压时的速度明显高于体硅器件，亚微米全耗尽CMOS／SOI技术是低压低功耗和超高速集成电路的理想选择．     

SOI DTMOS温度特性研究

对比研究了20 μm/0.35 μm的SOI(绝缘体上硅)普通MOS和DTMOS(动态阈值MOS)的温度特性.从20～125℃,普通MOS驱动电流减小了12.2%,而DTMOS驱动电流增大了65.3%.SOI DTMOS降低了垂直沟道方向的电场,减少了载流子表面散射,因此阈值电压随温度减小占主导,驱动电流随着温度升高而增大.SOl DTMOS优秀的温度特性,使之非常适合于低压、低功耗、高温应用.     

一种用于无源射频识别标签的上电复位电路

提出了一种新型的低压低功耗上电复位电路。该电路利用MOS管多种二级效应,采用多种低压低功耗技术,满足降低功耗的需要。整个上电复位电路的静态功耗低于1μW,应用于1.8 V与1.2 V电源电压。设计采用SMIC 0.18μm EEPROM工艺,可应用于其他低电源电压以及低功耗要求的芯片设计。     

低温微电子器件,电路和系统

本文概述了低温微电子学的研究与发展状况.低温将为微电子器件、电路和系统提供优化的工作环境,并极大地提高了器件、电路和系统的性能.高温超导薄膜技术的进展导致了超导/半导兼容电子学的勃起.可以相信,低温微电子器件、电路和系统以其具有的高速低功耗高可靠的特性,为GSIIC、超级计算机、空间和天文电子学、红外探测器等的发展所必需.     

平板显示器驱动芯片高低电压转换电路

LCD、PDP、VFD等各类平板显示器已越来越受到人们关注与喜爱,但大多数平板显示器需要专用的功率驱动芯片来驱动其发光显示,各类专用功率驱动芯片又离不开高低电压转换电路,高低电压转换电路性能的好坏直接影响到驱动芯片的稳定性和功耗等。通过比较平板显示器驱动芯片的几种典型高低压转换电路,设计出一种带有电流源的CMOS型高低压转换电路,它具有最佳的性能指标,该电路不但可以为平板显示器驱动芯片使用,还可以作为其他各类驱动芯片的高低压转换模块使用,最后给出一种具体的平板显示驱动芯片高压CMOS器件结构。     

薄膜SOI／CMOS的SPICE电路模拟

鉴于ＳＰＩＣＥ是目前世界上广泛采用的通用电路模拟程序，具具有可扩展模型的灵活性，我们通过修改ＳＰＩＣＥ源程序把新器件模型－－ＳＯＩＭＯＳＦＥＴ模型移植入ＳＰＩＣＥ中，通过我们的模拟工作，证实了我们模型的正确性和电路实用性，分析了器件参数对ＳＯＩ／ＣＭＯＳ电路速率的影响，这些结论可以很好地指导电路设计和工艺实践。     

Low-power high-performance double-gate fully depleted SOI circuitdesign

Double-gate fully depleted (DGFD) SOI circuits are regarded as the next generation VLSI circuits. This paper investigates the impact of scaling on the demand and challenges of DGFD SOI circuit design for low power and high performance. We study how the added back-gate capacitance affects circuit power and performance; how to tradeoff the enhanced short-channel effect immunity with the added back-channel leakage; and how the coupling between the front- and back-gates affects circuit reliability. Our analyses over different technology generations using the MEDICI device simulator show that DGFD SOI circuits have significant advantages in driving high output load. DGFD SOI circuits also show excellent ability in controlling leakage current. However, for low output load, no gain is obtained for DGFD SOI circuits. Also, it is necessary to optimize the back-gate oxide thickness for best leakage control. Moreover, threshold variation may cause reliability problems for thin back-gate oxide DGFD SOI circuits operated at low supply voltage     

基于介质电场增强理论的SOI横向高压器件与耐压模型

SOI(Silicon On Insulator)高压集成电路(High Voltage Integrated Circuit,HVIC)因其具有高速、低功耗、抗辐照以及易于隔离等优点而得以广泛应用。作为SOIHVIC的核心器件,SOI横向高压器件较低的纵向击穿电压,限制了其在高压功率集成电路中的应用。为此,国内外众多学者提出了一系列新结构以提高SOI横向高压器件的纵向耐压。但迄今为止,SOI横向高压器件均采用SiO2作为埋层,且实用SOI器件击穿电压不超过600V;同时,就SOI横向器件的电场分布和耐压解析模型而言,现有的模型仅针对具有均匀厚度埋氧层和均匀厚度漂移区的SOI器件建立,而且没有一个统一的理论来指导SOI横向高压器件的纵向耐压设计。笔者围绕SOI横向高压器件的耐压问题,从耐压理论、器件结构和耐压解析模型几方面进行了研究。基于SOI器件介质层电场临界化的思想,提出介质电场增强ENDIF(Enhanced Dielectric LayerField)理论。在ENDIF理论指导下,提出三类SOI横向高压器件新结构,建立相应的耐压解析模型,并进行实验。(1)ENDIF理论对现有典型横向SOI高压器件的纵向耐压机理统一化ENDIF理论的思想是通过增强埋层电场而提高SOI横向器件的纵向耐压。ENDIF理论给出了增强埋层电场的三种途径:采用低εr(相对介电常数)介质埋层、薄SOI层和在漂移区/埋层界面引入电荷,并获得了一维近似下埋层电场和器件耐压的解析式。ENDIF理论可对现有典型SOI横向高压器件的纵向耐压机理统一化,它突破了传统SOI横向器件纵向耐压的理论极限,是优化设计SOI横向高压器件纵向耐压的普适理论。(2)基于ENDIF理论,提出以下三类SOI横向高压器件新结构,并进行理论和实验研究①首次提出低εr型介质埋层SOI高压器件新型结构及其耐压解析模型低εr型介质埋层SOI高压器件包括低εr介质埋层SOI高压器件、变εr介质埋层SOI高压器件和低εr介质埋层PSOI(PartialSOI)高压器件。该类器件首次将低介电系数且高临界击穿电场的介质引入埋层或部分埋层,利用低εr介质增强埋层电场、变εr介质调制埋层和漂移区电场而提高器件耐压。通过求解二维Poisson方程,并考虑变εr介质对埋层和漂移区电场的调制作用,建立了变εr介质埋层SOI器件的耐压模型,由此获得RESURF判据。此模型和RESURF判据适用于变厚度埋层SOI器件和均匀介质埋层SOI器件,是变介质埋层SOI器件(包括变εr和变厚度介质埋层SOI器件)和均匀介质埋层SOI器件的统一耐压模型。借助解析模型和二维器件仿真软件MEDICI研究了器件电场分布和击穿电压与结构参数之间的关系。结果表明,变εr介质埋层SOI高压器件的埋层电场和器件耐压可比常规SOI器件分别提高一倍和83%,当源端埋层为高热导率的Si3N4而不是SiO2时,埋层电场和器件耐压分别提高73%和58%,且器件最高温度降低51%。解析结果和仿真结果吻合较好。②提出并成功研制电荷型介质场增强SOI高压器件笔者提出的电荷型介质场增强SOI高压器件包括:(a)双面电荷槽SOI高压器件和电荷槽PSOI高压器件,其在埋氧层的一侧或两侧形成介质槽。根据ENDIF理论,槽内束缚的电荷将增强埋层电场,进而提高器件耐压。电荷槽PSOI高压器件在提高耐压的基础上还能降低自热效应;(b)复合埋层SOI高压器件,其埋层由两层氧化物及其间多晶硅构成。该器件不仅利用两层埋氧承受耐压,而且多晶硅下界面的电荷增强第二埋氧层的电场,因而器件耐压提高。开发了基于SDB(Silicon Direct Bonding)技术的非平面埋氧层SOI材料的制备工艺,并研制出730V的双面电荷槽SOILDMOS和760V的复合埋层SOI器件,前者埋层电场从常规结构的低于120V/μm提高到300V/μm,后者第二埋氧层电场增至400V/μm以上。③提出薄硅层阶梯漂移区SOI高压器件新结构并建立其耐压解析模型该器件的漂移区厚度从源到漏阶梯增加。其原理是:在阶梯处引入新的电场峰,新电场峰调制漂移区电场并增强埋层电场,从而提高器件耐压。通过求解Poisson方程,建立阶梯漂移区SOI器件耐压解析模型。借助解析模型和数值仿真,研究了器件结构参数对电场分布和击穿电压的影响。结果表明:对tI=3μm,tS=0.5μm的2阶梯SOI器件,耐压比常规SOI结构提高一倍,且保持较低的导通电阻。仿真结果证实了解析模型的正确性。     

彩色PDP低功耗驱动技术探讨

目前彩色PDP的功耗比较大,这主要是由于它的发光效率比较低,高压高速电路损耗较大,以及显示屏寄生电容的充、放电而带来的无用功耗比较大而造成的。为了降低彩色PDP的功耗,介绍了能量恢复技术、降低电路损耗的电路技术、以及多种提高发光效率的驱动方式等多种方法,这些方法的综合采用,可以显著降低PDP的功耗。     

一种新型的低电磁干扰的亚低压差分接收器

本文介绍了一种低电磁干扰的用于标准移动图像架构的亚低压差分（subLVDS）接收器，它符合标准移动图像架构（SMIA）标准。由于使用了差分结构和小摆幅信号，它可以同时实现低功耗和高速传输。在本文描述的接收器电路里，高速的共模范围变化的小幅度信号成功的被接收和恢复。本电路在中芯国际1．2V／2．5V1p5m0．13μm CMOS逻辑工艺上投片，伪随机码传输高达1．4Gbps。     

A Novel Ultra Low Power High Performance Atto-Ampere CMOS Current Mirror with Enhanced Bandwidth

A novel CMOS atto-ampere current mirror （AACM） is proposed which reaches the minimum yet reported current range of 0.4 aA. Operation of this circuit is based on the source voltage modulation instead of the conventionally used gate voltage modulation which interestingly prevents usage of commonly required voltage shifting in those circuits. The proposed circuit has a simple structure prohibiting large chip area consumption which consumes extremely low power of 1.5 μW. It is thus the best choice for ultra low power low voltage （ULPLV） applications. By using a very simple frequency compensation technique, its bandwidth is widened to 15.8 kHz. Simulation results in SMIC （Semiconductor Manufacturing International Corporation） 0.18 μm CMOS technology with Hspice are presented to demonstrate the validation of the proposed current mirror.     

低功耗RFID电源产生电路的优化设计

电子标签是创新消费模式、提升生活质量和工作效率的热门新科技,但是由于功耗和成本的原因阻碍了其广泛应用.介绍了一种电子标签芯片电源产生电路的优化设计,探讨了限幅电路、整流电路、模拟电源电路、数字电源电路和EEPROM高压电路的低功耗设计技术和实现方法,提出了融合并联分流的限幅电路、改进的桥式整流电路、带有低压检测复位功能的模拟电源电路.低功耗电源产生电路已成功应用到无源电子标签芯片的设计中,并在SMIC O.35μmCMOS工艺下流片成功.     

A Very Low Voltage Bipolar Op-Amp for Sensor Applications

A new bipolar four-quadrant operational amplifier operating at a power supply voltage of 0.8 V and with a supply current of 800 A is here presented and illustrated. It features low input offset, low bias current, low noise, low crossover distortion and a rail-to-rail output swing. Control circuits ensuring minimum and maximum current limits for the output transistors have been incorporated. The biasing circuitry follows a PTAT scheme. A simple compensation topology allows the reduction of the area. The chip, whose area is about 2 mm², has been fabricated in HF2CMOS 2 /6 GHz technology. Finally, Spice simulations and experimental results, which confirm the expected overall performances of the low voltage op-amp, are reported.