司令员一种夹层电阻结构及其应用-电子工程专辑

发布时间:2015-11-13编辑:admin阅读:237

    一种夹层电阻结构及其应用-电子工程专辑

    1 引言在集成电路的线路设计中,特别是模拟电路的设计中,不可避免地都会需要用到电阻。对于低阻值的应用,一般可以用铝线电阻、多晶电阻、N+电阻或者P+电阻等实现。对于更大一点的电阻,则可以用N阱电阻、P阱电阻或者高阻多晶等实现司令员。对于更高阻值要求,或者阻值要求高但是占用面积要小且精度要求不高,这时候可以用倒比的MOS管或者夹层电阻来实现。顾名思义,夹层电阻就是被其他层次夹在中间的电阻,夹层电阻的方块阻值一般在5~50 kΩ,随着电压的提高,还可以到100 kΩ或更高。2 夹层电阻结构及原理特性分析2.1 夹层电阻的结构在集成电路工艺中,实现夹层电阻有很多种方法等你在雨中。本文研究的夹层电阻就是其中的一种鱼塘理论,它不需要通过额外增加光刻MASK层就能实现系鞋带蝴蝶结。图1为该夹层电阻的平面示意图。图1中,夹层电阻区为低浓度的P型注入区,它主要利用工艺中的现有层次实现,比如Pbase层或者Pbody层。该P型夹层电阻区被N+和N阱完全包围,因此该结构就是一个被N+和N阱两个层次夹在中间的P型夹层电阻。

    2.2 夹层电阻的特性夹层电阻的优势是阻值很高,缺点是对电压比较敏感。对该夹层电阻进行I-V扫描,起始电压为0 V,步进为0.5 V,结果发现如下特性:当电阻两端电压从0开始增加时海德勒,夹层电阻的阻值迅速上升,但是到电压超过4 V左右后,电阻阻值虽然还是继续增加,但是此时呈现出线性上升的特性,即电阻跟随电压呈比例地上升,当电压到14~15 V左右时,电阻开始急剧减小,呈现出击穿效应。把上述电阻测试时的I-V数值进行曲线拟合,得到图2.
    图2中,拐点Vp约为4 V,拐点Vb约为14~15 V.
    2.3 夹层电阻的原理分析
    观察该曲线,发现它很像MOS管的输出特性曲线。进一步分析其纵向结构发现,该夹层电阻实际上可以理解成一个P沟道的JFET管(结型场效应管),它的纵向剖面示意图如图3所示。

    图3中,JFET管的沟道区为低浓度的P型注入区,P型沟道被N+和N阱上下夹住,因此可以把N+和N阱看成JFET管的栅极(Gate),把两个SP注入区一个看成JFET管的源端(Source),另一个看成JFET管的漏端(Drain)。因此在图2中,拐点Vp就是该P沟道JFET管的夹断电压,当-Vds电压超过Vp后,JFET管产生夹断,源漏电流开始趋于稳定。拐点Vb为该P沟道JFET管的击穿电压,当-Vds电压大于Vb后,JFET管产生击穿,Ids增大。在前面的夹层电阻测试时,实际上是把PJFET管的栅端(Gate)和源端(Source)短接大锅菜菜谱,形成了图4所示的连接结构。

    由图4可知,只要把该JFET管的栅源短接且都接到输入工作电压Vin上,则当电压在Vp和Vb之间变化时(即Vp<Vin<Vb),该JFET管的漏端就能输出恒定的电流IR.恒定电流的大小取决于该JFET管的尺寸,也即低浓度P型注入区的长度L和宽度W(见图1)。一般来说,Vp在3~4 V左右,而Vb可以在10~15 V左右甚至更高,当然,由于不同工艺间的差异,Vp和Vb的大小会有所不同。上述单器件电流源能满足输入电压在4~15 V左右之间变化时,输出恒定电流。为了获得更宽的电压范围,需要对上述电路进行改进,如图5.

    如图5所示,通过把两个相同大小的JFET管串联,可以适应更大的电压变化范围,此时,可以让Vin在2Vp和2Vb之间变化时(即2Vp<Vin<2Vb),在JFET管的漏端输出恒定的电流IR.而且电流的大小取决于单个JFET管的尺寸,即低浓度P型注入区的长度L和宽度W.假定Vp为4 V,Vb为15 V,则图5的双器件电流源结构允许的电压范围就是8~30 V.根据上述原理进行类推,当串联JFET管的个数为N(N为自然数)时(见图6),它允许的工作电压范围就是N×Vp~N×Vb男人的亲王号,而且当N×Vp<Vin<N×Vb时都市至尊天骄,电路能输出恒定的电流。需要注意的是,当进行2个以上的JFET管串联时,各个JFET管的尺寸必须相同(也即长度L和宽度W必须相等),否则电路的分压比会发生变化,电路就有可能会无法正常工作。在这个前提下,输出恒定电流IR的大小取决于其中单个JFET管的尺寸。

    3 振荡器的设计3.1 振荡器的原理利用该夹层电阻的特性,下面开始设计一款振荡器迪莎·帕塔尼。该振荡器的设计要求为:工作电压范围为3~25 V,振荡器功耗越低越好,最好在微安级,且希望当电压在9~25 V之间变化时,振荡器的输出频率是恒定的。在该振荡器中,由该夹层电阻(等效为P沟道JFET管)来提供恒流源,用于芯片内部振荡器的电容充放电电流。由于振荡器的振荡频率主要取决于电容充放电的电流大入木三分造句小,因此一旦电流恒定,则振荡频率就不变。电路要求的电压最高为25 V,根据前面的分析,单个器件的耐压会不够,因此采用双器件串联结构,理论耐压应该可以接近30 V.电路设计如图7.

    图7是振荡器的简单原理示意图瑞金教育网,实际线路在此基础上还会增加一些辅助线路。在图7中,Vosc用于控制电容的充放电状态,JFET管提供恒定电流源IR对电容C进行充电,Vx则输出到后级的电压比较器。电路工作的时候,一开始Vosc为低电平,此时PMOS管打开,基准电流IR开始给电容C进行充电,电容C上的电压Vx逐渐上升,一旦Vx达到门限电平Vt,则比较器就翻转,从而使Vosc也发生翻转变为高电平,这时,PMOS管关断,NMOS管打开,由于NMOS管放电能力较强,电容C上的电压瞬间就被放到GND,张翔玲此时Vosc又翻转变为低电平,NMOS管关断,PMOS管开始充电。就这样,通过保持充电电流的恒定,使得振荡器的振荡频率也始终保持恒定。3.2 振荡器的实现和优化在电路的实际实现中,采用了0.8 μm的高压工艺。经过对出片电路的实际测试,发现随着电压升高,振荡器频率逐渐变快,当电压超过10 V后,频率开始维持不变,一直到电压接近30 V,频率始终不变。也就是说当电压在10~30 V之间变化时,振荡器频率恒定,振荡器的工作电流在整个电压变化范围内不超过3 μA.显然,频率稳定的最低电压为10 V,高于设计要求的9 V.从前面夹层电阻的原理分析部分可以知道,为了降低频率稳定的最低电压,可以采用两种思路:一种是降低夹层电阻的夹断电压Vp;另一种是采用单个夹层电阻来实现恒定电流。第一种思路,夹断电压Vp主要取决于JFET沟道区的P型注入浓度,以及P型注入、N阱、N+这几个的结深,结深一般不好调节,而浓度也较难控制,因此实施有困难,而且最低电压为2×Vp,实施效果也很有限。第二种思路,主要是要提高夹层电阻的击穿电压Vb.根据对该夹层电阻的纵向结构分析可以知道雷立刚,该夹层电阻的击穿首先发生在低浓度的P型注入区和上层的N+之间,也即击穿电压Vb就是N+和P型沟道区的击穿电压。因此,尝试在低浓度的P型沟道区域上层N+的下方,用一个低浓度的N型区来外包N+,如图8.

    该低浓度N型区用工艺中现成的高压N注入(即NHV)来实现清分机支票,以此来提高夹层电阻的耐压。3.3 优化改进结果电路改进设计后,经过试验验证,采用此种优化结构后,振荡器可以工作在3~30 V的工作范围,而且当电压大于5.5 V以后,振荡器的输出频率就不再变化,也即当电压在5.5~30 V之间变化时,振荡器频率恒定,同时振荡器最大工作电流约为2.5 μA.至此,该振荡器的各项指标全部达到了设计要求。4 结束语夹层电阻是一种比较特殊的电阻。在低电压工作场合,夹层电阻一般都被当做高阻值的电阻来使用。但是在高电压工作场合玄女经2,或者是宽范围工作电压的场合,此时夹层电阻就相当于是一个JFET管,利用该特性,在很多设计中,特别是模拟电路的设计中,可以把电路设计得更精巧或者实现更低的功耗。
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