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1、第27卷第3期半导体学报Vol.27No.32006年3月CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSMar.,20063新型全CMOS片上温度传感器设计•林赛华杨华中(清华大学电子工程系,北京100084)摘要:利用阈值电压随温度的线性变化关系,设计并改进了一种基于弛张振荡器的全CMOS片上数字温度传感器,提出了一种新型的基于施密特触发器的全CMOS片上数字温度传感器,用于集成电路的热测试和温度保护.仿真结果表明,文中实现的两种数字温度传感器精度均在1℃以内,而且基于施密特触发器的温度传感器仅使用了19个晶体管,与多数文献的结果相比,晶体
2、管数目至少节省了2619%.关键词:温度传感器;阈值电压;热可测试性EEACC:1265A;2560;2570D中图分类号:TN47文献标识码:A文章编号:025324177(2006)03205512051引言2MOS管的阈值电压温度特性随着芯片集成度的迅速提高,芯片热效应的影对于分别工作在饱和区和线性区的长沟道响重新被提上了研究日程.为了避免局部温度过高nMOS晶体管来说,忽略其次级效应,它的漏电流可对芯片造成损害,需要在芯片内部集成温度传感器以用如下两个公式来表示:以实时检测温度的变化.较为简单而常用的一种方1W2ID=μnCox(VGS-VTN)(
3、1)案是使用热敏电阻作为温度传感器,然而由于其精2L22度有限,因此研究者又开发了各种面积小、功耗低的W(VVDSID=μnCoxGS-VTN)VDS-[1～5]L2温度传感器.这些方法各有优缺点.如文献[1](2)方法精度较高,误差小于3℃,但使用的振荡器方案其中μn为nMOS晶体管迁移率(对于pMOS晶占用了较大的面积;文献[2]中的温度传感器耗费较体管则为μp);Cox为单位面积的栅电容;W和L分大的功耗(10～15mW),这可能引起待测点温度的别表示栅的宽度和长度;VTN表示nMOS晶体管的变化从而给测量结果带来误差;文献[3]提出了两种阈值电压(
4、对于pMOS晶体管则为VTP).在这些参不同类型的振荡器,取得了较好的效果;文献[4]中数中,迁移率和阈值电压是受温度影响较大的量.其的传感器精度较高,但由于该传感器频率2温度函数中,阈值电压与温度的关系在很大的范围内呈线性包含了迁移率,而迁移率不随温度呈线性关系,因此[6]关系:其频率的对数与温度呈近似线性关系;文献[5]中的VT(Tdevice)=VT(TNOM)+传感器可看成是文献[3,4]的综合,耗费了较多晶体KT1LTdevice管,且其电容的充电电流受电源电压影响.KT1++KT2VBS-1(3)LeffTNOM在综合考虑阈值电压、迁移率、电源
5、电压的影响其中VT(TNOM)表示TNOM温度下的阈值电之后,本文设计了两种不同的温度传感器.它们舍弃压,一般取室温值,如25℃;Tdevice表示器件实际温了迁移率因子的影响,采用与电源电压无关的恒流度;KT1表示阈值电压的温度系数;KT1L和KT2源,简化了整体电路设计.其中,基于施密特触发器分别表示沟道长度和衬底偏置的影响.实验结果表方案的温度传感器只用了19个晶体管,而文献[1～明,上述阈值电压对温度的线性依赖性公式能在各5]中传感器方案晶体管数目最少为26个,因而本文种不同温度下提供对实际I2V特性曲线精确拟提出的温度传感器晶体管数目至少节省了2
6、619%.和[6].并且,对于nMOS晶体管来说,由于阈值电压另外,HSPICE仿真结果表明,本文提出的传感器方KT1L随温度上升而下降,因此系数KT1++案精度均在1℃之内.Leff3国家自然科学基金资助项目(批准号:90207001)•通信作者.Email:linsh@mails.tsinghua.edu.cn2005205231收到,2005211208定稿n2006中国电子学会552半导体学报第27卷KT2VBS必定为负.在BSIM3中的MOBMOD=1默认情况下,它与温迁移率与温度的关系要比阈值电压复杂许多,度的关系可以表示为:U0(Tdevic
7、e)μeff(Tdevice)=(4)2VGS+VT(Tdevice)VGS+VT1+(UA(Tdevice)+UC(Tdevice)VBS)+UB(Tdevice)TOXTOX其中UA,UB,UC表示迁移率退化效应的因子,它则可以得到:们均与温度成线性关系;而U0表示零电场情况下2(λp12-λn12)V1=VTN的迁移率.可以看到,迁移率是关于温度的非线性函λp12-2λn12(6)数.λp12-λn12V2=VTNλp12-2λn123基于弛张振荡器的温度传感器设计由于λn12是由N1管和N2管的宽长比的比值决定,λp12是由P1管和P2管的宽长比的
8、比值决定.它们都是一个固定的值.因而可以发现,V1和V23.1温度
