一种可靠补偿mos管阈值电压变化的电路的制作方法
【专利说明】一种可靠补偿MOS管阈值电压变化的电路 【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种补偿M0S管阈值电压随工艺和温度变化的电路。 【【背景技术】】
[0002] 在CMOS集成电路中，M0S管的阈值电压是指半导体表现产生反型层（导电沟道） 时所需要施加在栅极上的电压。以n沟道M0SFET为例，当栅电压使得p型半导体表面能带 向下弯曲到表面势时，即认为半导体表面强反型。这里的$ B是半导体的费米势， 即半导体禁带中央与费米能级之差。阈值电压VT包含三个部分（不考虑衬偏电压变化时）： 栅氧化层上的电压降V M，半导体表面附近的电压降2七，抵消M0S系统中各种电荷影响的 电压降（平带电压VFB)。
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[0007] 兵甲，e 3是平寺怀介电芾数；q是电f电何重；NA是平寺怀掺泶浓度；(:^是早怔面 积栅氧化层电容；Ei是陷阱能级；E F是费米能级；k是玻尔兹曼常数；T是绝对温度；n i是本 征载流子浓度；是金属半导体功函数差；Qf是有效界面电荷。
[0008] 当温度升高时，半导体费米能级将趋向于禁带中央变化，则半导体费米势^减 小，从而更加容易达到^>2^的反型层产生条件，所以阈值电压降低。
[0009] 当工艺发生变化时，本征掺杂浓度也会随之变化，掺杂浓度越高，工艺越慢，相应 的阈值电压越大；反之，掺杂越低，工艺越快，相应的阈值电压越小。
[0010] 通常会在常温和典型工艺条件下来进行电路设计，但实际上，生产出来的芯片在 高温或较快工艺条件时的阈值电压偏低，可能会出现漏电，导致芯片功耗大的问题。在低温 或较慢工艺条件时的阈值电压偏高，可能会导致芯片性能降低，甚至无法达到预定指标的 问题。
[0011] 现有的用于补偿M0S管阈值电压随温度和工艺变化的电路，如附图1所示。其实 现方式为：
[0012] 1、向二极管连接形式的M0S管丽1的源端输入一个恒定的参考电流，产生栅端电 压Vg ;
[0013] 2、参考电压生成电路产生第一参考电压Vrefl和第二参考电压Vref2,且 Vref2>Vrefl；
[0014] 3、第一参考电压Vrefl与M0S管的栅端电压Vg进行比较，同时第二参考电压与 M0S管的栅端电压Vg进行比较：
[0015] 当Vg〈Vrefl时，显然Vg〈Vref2,此时第一比较器和第二比较器输出均为低，经逻 辑控制电路模块生成的电荷栗使能信号为高，上拉电路使能信号为低，负压电荷栗电路工 作，衬底电压Vneg降低，同时栅端电压Vg升高；
[0016] 当Vref2>Vg>Vrefl时，第一比较器输出为高，第二比较器输出为低，经逻辑控制 电路模块后生成的电荷栗使能信号为低，上拉电路使能信号也为低，负压电荷栗电路和上 拉电路都不工作，衬底电压Vneg和栅端电压Vg维持原值；
[0017] 当Vg>Vref2时，第一比较器与第二比较器的输出均为高，经过逻辑控制电路模块 后生成的电荷栗使能信号为低，上拉电路使能信号为高，电荷栗电路停止工作，上拉电路开 始工作，将衬底电压Vneg升高，同时栅端电压Vg减小。
[0018] 现有电路存在以下问题：
[0019] 1，当在高温或较快工艺条件下时，阈值电压偏低，所需的衬底电压Vneg可能会很 小，如果衬底电压小到使M0S管的栅压和衬底电压之差Vg-Vneg大于M0S管的耐压阈值 BVGB时，则会损坏该M0S管的寿命。
[0020] 2,当在低温或较慢工艺条件下时，阈值电压偏高，所需的衬底电压Vneg可能会是 正值，如果该M0S管衬底电压Vneg大于PN结导通电压，则该M0S管存在PN结漏电的问题。 【【实用新型内容】】
[0021] 本实用新型的目的在于提供一种可靠补偿M0S管阈值电压变化的电路，以解决现 有电路在高温或较快工艺条件下存在损坏M0S管寿命的问题和在低温或较慢工艺条件下 存在PN结漏电的问题。
[0022] 为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
[0023] -种可靠补偿M0S管阈值电压变化的电路，包括M0S管丽1、参考电压生成电路、第 一比较器、第二比较器、负压电压栗、上拉电路、反馈电压生成电路U1、基准参考电压生成电 路U2、第三比较器U3、第四比较器U4、逻辑控制电路U5和钳位电路U6 ;
[0024] 参考电压生成电路，用于产生第一参考电压Vrefl和第二参考电压Vref2,且 Vref2>Vrefl；
[0025] 第一比较器，用于将M0S管丽1的产生的栅端电压Vg与第一参考电压Vrefl比 较；
[0026] 第二比较器，用于将M0S管丽1的产生的栅端电压Vg与第二参考电压Vref2比 较；
[0027] 反馈电压生成电路U1，用于产生衬底电压的反馈信号vpw_fbk;
[0028] 基准参考电压生成电路U2 :用于产生第四参考电压Vref4 ;
[0029] 第三比较器U3 :用于将衬底电压的反馈信号vpw_fbk与第三参考电压Vref3进行 比较；
[0030] 第四比较器U4 :用于将衬底电压vneg与第四参考电压Vref4进行比较；
[0031] 逻辑控制电路U5:用于将第一比较器、第二比较器、第三比较器和第四比较器的 输出结果进行处理，输出电荷栗使能信号、上拉电路使能信号和钳位电路使能信号；
[0032] 负压电荷栗，用于降低衬底电压Vneg;
[0033] 上拉电路，用于升高衬底电压Vneg;
[0034] 钳位电路U6 :将衬底电压vneg强制钳位到零电平。
[0035] 本实用新型进一步的改进在于：第三参考电压Vref3为零电平。
[0036] 本实用新型进一步的改进在于：M0S管丽1的源端连接一个恒定的参考电流；M0S 管丽1产生栅端电压Vg输入第一比较器和第二比较器的输入端；参考电压生成电路产生第 一参考电压Vrefl和第二参考电压Vref2分别输入第一比较器和第二比较器的输入端；反 馈电压生成电路U1生成衬底电压Vneg的反馈信号vpw_fbk和第三参考电压Vref3输入第 三比较器的输入端；基准参考电压生成电路U2生成第四参考电压Vref4和衬底电压vneg 输入第四比较器的输入端；第一比较器、第二比较器、第三比较器和第四比较器的输出端 连接逻辑控制电路的输入端，逻辑控制电路输出的电荷栗使能信号输入负压电压栗的输入 端，逻辑控制电路输出的上拉电路使能信号输入上拉电路的输入端，逻辑控制电路输出的 钳位电路使能信号输入钳位电路的输入端，负压电压栗的输出端、上拉电路的输出端和钳 位电路的输出端生成衬底电压Vneg。
[0037] 本实用新型进一步的改进在于：第四参考电压Vref4为人为设定的衬底电压Vneg 的阈值。
[0038] 当Vg〈Vrefl〈Vref2时，第一比较器和第二比较器输出均为低，经逻辑控制电路生 成的电荷栗使能信号为高，上拉电路使能信号为低，负压电压栗工作，衬底电压Vneg降低， 同时栅端电压Vg升高；
[0039] 当Vrefl〈Vg〈Vref2时，第一比较器输出为高，第二比较器输出为低，经过逻辑控 制电路后生成的电荷栗使能信号为低，上拉电路使能信号也为低，负压电荷栗和上拉电路 都不工作，衬底电压Vneg和栅端电压Vg维持原值；
[0040] 当Vref2〈Vg时，第一比较器与第二比较器的输出均为高，经过逻辑控制电路后生 成的电荷栗使能信号为低，上拉电路使能信号为高，负压电荷栗停止工作，上拉电路开始工 作，将衬底电压Vneg升高，同时栅端电压Vg减小；
[0041] 在栅端电压Vg与Vrefl、Vref2进行比较的整个过程中，衬底电压反馈信号vpw_ fbk与第三参考电压Vref3进行比较，如果衬底电压Vneg小于第三参考电压Vref3,经过逻 辑控制电路后生成的电荷栗使能信号为低，将负压电荷栗强制关闭；
[0042] 在栅端电压Vg与Vrefl、Vref2进行比较的整个过程中，衬底电压vneg与第四参 考电压Vref4进行比较，如果衬底电压Vneg过高，大于第四参考电压Vref4,经过逻辑控制 电路后生成的钳位电路信号为高，钳位电路工作将衬底电压Vneg强制钳位到零电平。
[0043] 所述第三参考电压为零电平；第四参考电压小于PN结导通电压；M0S管的栅压与 衬底电压之差等于M0S管的耐压阈值BVGB时得到的反馈信号vpw_fbk大于零电平；反馈电 压生成电路U1和基准参考电压生成电路U2都可用分压器得以实现。
[0044] 第三比较器用于当衬底电压过低，以至于使M0S管的栅压与衬底电压之差大于或 等于M0S管的耐压阈值BVGB时，将电荷栗电路关闭。
[0045] 第四比较器用于当衬底电压过高，大于第四参考电压时将衬底电压强制钳位到零 电平。
[0046] 相对于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：
[0047] 1、本实用新型可以确保在高温或较快工艺条件下，补偿M0S管阈值电压随工艺和 温度变化的电路所产生的衬底电压不至于太低而致使发生损坏M0S管寿命的问题。
[0048] 2、本实用新型可以确保在低温或较慢工艺条件下，补偿M0S