專利名稱：放大信號(hào)的電路和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體，更具體地說，涉及一種半導(dǎo)體器件和使用它放大信號(hào)的電路。
背景技術(shù)：
在存儲(chǔ)器比如動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)和靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)中普遍需要高速小信號(hào)感測(cè)放大器。因?yàn)槟壳暗内厔?shì)是朝位于半導(dǎo)體芯片的外部或內(nèi)部的寬數(shù)據(jù)總線上發(fā)送小信號(hào)，因此使用小信號(hào)感測(cè)電路。小信號(hào)發(fā)送正被越來越廣泛地使用，因?yàn)殚_關(guān)功率與CV2成比例，這里C是電容，V是電壓，以及f是開關(guān)頻率。用于開關(guān)總線的頻率恒定地增加，因?yàn)轭l率與每單位時(shí)間通過總線的數(shù)據(jù)的多少有關(guān)。為限制功率，電壓也已經(jīng)被降低。因此，小信號(hào)通過總線發(fā)送，并且這些小信號(hào)在接收端要求小信號(hào)檢測(cè)和放大。例如，在一伏特下的電壓用作小信號(hào)的高邏輯電平。小信號(hào)感測(cè)電路以單端模式操作，即僅使用與地(GND)或電源電壓(VDD)相關(guān)的一個(gè)信號(hào)。小信號(hào)感測(cè)電路也使用一對(duì)差分信號(hào)以差分信號(hào)模式操作。
在常規(guī)的單端、小信號(hào)感測(cè)電路比如A類放大器中，存在多個(gè)非常難以控制的項(xiàng)目工作點(diǎn)偏壓；參考電壓的穩(wěn)定性；偏置電流；對(duì)閾值電壓的靈敏度；和過程和溫度變化。對(duì)于將來的技術(shù)尤其如此，因?yàn)殡S著晶體管規(guī)模更小，增加了高泄漏電流和低電源電壓，造成這種電路對(duì)電壓、溫度和過程變化非常敏感。對(duì)于常規(guī)的差動(dòng)感測(cè)電路，由于在將來的技術(shù)中的相鄰晶體管之間的統(tǒng)計(jì)變化的增加，差分小信號(hào)感測(cè)失去了優(yōu)點(diǎn)。
因此，需要提供一種改進(jìn)的放大器比如用于信號(hào)感測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)例性方面提供了一種使用柵二極管的改進(jìn)的放大器和使用它的方法。
在本發(fā)明的實(shí)例性方面，公開了一種適合于放大信號(hào)的電路。該電路包括控制線和具有第一和第二端子的兩端子半導(dǎo)體器件。第一端子耦合到信號(hào)線，第二端子耦合到控制線?？刂凭€適合于耦合到控制信號(hào)，信號(hào)線適合于耦合到信號(hào)并成為電路的輸出。
在第一端子上相對(duì)于第二端子的電壓高于預(yù)定的電壓時(shí)，兩端子半導(dǎo)體器件適合于具有一電容，而在第一端子上相對(duì)于第二端子的電壓小于預(yù)定的電壓時(shí)具有一更小的電容。預(yù)定的電壓可以稱為半導(dǎo)體器件的閾值電壓。典型地，在第一端子上相對(duì)于第二端子的電壓僅需在閾值電壓之上較小的量以使電容實(shí)質(zhì)上大于在該電壓在閾值電壓之下時(shí)的電容，如下文詳細(xì)所述。結(jié)果，兩端子半導(dǎo)體器件的等效電容是非線性的，例如，在第一端子上相對(duì)于第二端子的電壓在閾值電壓之上時(shí)為較大的電容，以及在第一端子上相對(duì)于第二端子的電壓在閾值電壓之下時(shí)為非常小的電容。根據(jù)在兩端子器件中存儲(chǔ)的電荷，在閾值電壓之上的在第一端子上相對(duì)于第二端子的電壓使大量的電荷存儲(chǔ)在該器件中，而在閾值之下的在第一端子上相對(duì)于第二端子的電壓使實(shí)質(zhì)上更少量的電荷、更小數(shù)量級(jí)的電荷或沒有電荷被存儲(chǔ)。
與這相反的是常規(guī)電容器或線性電容器的情況，在這種情況中電容恒定，與在其兩個(gè)端子上的電壓無關(guān)，并且電荷的變化量與電壓變化量成比例。
兩端子半導(dǎo)體器件的實(shí)例是包括源極(例如源擴(kuò)散區(qū))和柵極的柵二極管，其中在柵二極管的柵極到源極的電壓(Vgs)高于(例如n型柵二極管)的閾值電壓時(shí)電荷存儲(chǔ)在反型層中，否則存儲(chǔ)實(shí)質(zhì)上少量的電荷、更小數(shù)量級(jí)的電荷或沒有電荷。在柵二極管中，耦合到源極的源極輸入用作第二端子，耦合到柵極的柵極輸入用作第一端子。
柵二極管可以以多種方式實(shí)施，比如通過這樣的器件實(shí)施，該器件包括在柵極和阱之間的絕緣體、與絕緣體和柵極的一側(cè)鄰接并重疊的源極擴(kuò)散區(qū)以及與絕緣體和柵極的另一側(cè)鄰接的淺溝槽隔離區(qū)，其中源極輸入耦合到源極擴(kuò)散區(qū)，柵極輸入耦合到柵極。此外，柵二極管可以包括形成在柵極和阱之間的絕緣體、與絕緣體和柵極的一側(cè)鄰接并重疊的源極擴(kuò)散區(qū)、與絕緣體和柵極的另一側(cè)鄰接并重疊的漏極擴(kuò)散區(qū)以及直接耦合源極和漏極區(qū)的耦合，其中源極輸入耦合到源極擴(kuò)散區(qū)，柵極輸入耦合到柵極。柵二極管可以由n型或p型器件形成。柵二極管可以使用例如塊硅、絕緣體上硅(SOI)或雙柵翅片型FET(finFET)技術(shù)的典型的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)形成。
第二電路附加地包括在信號(hào)和柵極輸入中間的信號(hào)線上的隔離器件。隔離器件例如允許在柵二極管和信號(hào)線之間的負(fù)載的分離，作為另一實(shí)例，防止電壓在柵二極管的柵極輸入上的電壓上升影響在信號(hào)線上的信號(hào)。隔離器件可以被有利地設(shè)計(jì)成在該信號(hào)是預(yù)定的電壓時(shí)使柵二極管與在信號(hào)線上的信號(hào)隔離。隔離器件可以由n-型或p型器件形成。此外，第二電路可以包括輸出器件比如緩沖器或鎖存器。此外，兩個(gè)這樣的電路可以用于也具有差分信號(hào)輸出器件(比如差動(dòng)緩沖器或差動(dòng)鎖存器)的差動(dòng)電路。
在本發(fā)明的另一方面，公開了使用先前描述的電路的感測(cè)信號(hào)的方法。實(shí)例性的方法確定在信號(hào)線上的電壓要被感測(cè)，在控制線上的電壓被改變(例如在n-型器件的情況下升高，或者在p-型器件的情況下降低)。在信號(hào)下降到閾值電壓之下時(shí)，兩端子半導(dǎo)體器件用作非常小的電容器，保持非常少量的電荷，并且電路的輸出將是較小的值，大約是在控制線上的電壓的一小部分(例如十分之一)。在信號(hào)高于閾值電壓時(shí)，兩端子半導(dǎo)體器件用作較大的電容器，保持較多量的電荷，并且電路的輸出將受到信號(hào)的值和在控制線上被改變的值兩者的影響，因此信號(hào)將被放大到大約在控制線上的電壓加上信號(hào)的電壓。
通過參考下文的詳細(xì)描述和附圖，將會(huì)更加完整地理解本發(fā)明的進(jìn)一步的特征和優(yōu)點(diǎn)。


附圖1A所示為用于第一n-型柵二極管的實(shí)例性符號(hào)；附圖1B所示為形成在半導(dǎo)體中的第一n-型柵二極管的側(cè)視圖的實(shí)例；附圖1C所示為形成在半導(dǎo)體中的第一n-型柵二極管的頂視圖的實(shí)例；附圖2A所示為用于第二n-型柵二極管的實(shí)例性符號(hào)；附圖2B所示為形成在半導(dǎo)體中的第二n-型柵二極管的側(cè)視圖的實(shí)例；附圖2C所示為形成在半導(dǎo)體中的第二n-型柵二極管的頂視圖的實(shí)例；附圖3A所示為說明摻雜劑濃度如何影響柵二極管的閾值電壓的曲線圖；附圖3B所示為說明在具有不同的尺寸的柵二極管上柵二極管的電容如何隨著它的柵極到源極電壓(Vgs)變化的曲線圖；附圖4A所示為用于第一p-型柵二極管的實(shí)例性符號(hào)；附圖4B所示為形成在半導(dǎo)體中的第一p-型柵二極管的側(cè)視圖的實(shí)例；附圖5A所示為用于第二p-型柵二極管的實(shí)例性符號(hào)；附圖5B所示為形成在半導(dǎo)體中的第二p-型柵二極管的側(cè)視圖的實(shí)例；附圖6所示為形成在絕緣體上外延硅(SOI)中的第一n-型柵二極管的側(cè)視圖的實(shí)例。
附圖7所示為形成在SOI中的第二n-型柵二極管的側(cè)視圖的實(shí)例。
附圖8所示為形成在絕緣體上外延硅(SOI)中的第一p-型柵二極管的側(cè)視圖的實(shí)例。
附圖9所示為形成在SOI中的第二p-型柵二極管的側(cè)視圖的實(shí)例。
附圖10所示為在電容器用作電荷存儲(chǔ)器件時(shí)放大器的增益的曲線圖；附圖11A所示為柵二極管放大器的實(shí)例；附圖11B所示為在柵二極管切斷時(shí)附圖11A的柵二極管放大器的有代表性電路；附圖11C所示為在柵二極管導(dǎo)通時(shí)附圖11A的柵二極管放大器的有代表性電路；附圖12A所示為在柵二極管用作電荷存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移器件時(shí)放大器的增益的曲線圖；附圖12B所示為用于附圖12C和12D的柵二極管放大器的實(shí)例；附圖12C所示為附圖12B的柵二極管放大器的完全的和受限的電荷轉(zhuǎn)移的表；附圖12D所示為說明柵二極管放大器的增益如何隨它的電容性負(fù)載(CL)(特別是比例Rc＝Cg_gd(ON)/CL，這里Cg_gd(ON)是柵二極管導(dǎo)通電容)變化的曲線圖；附圖13所示為使用n-型柵二極管實(shí)施的柵二極管感測(cè)放大器；附圖14所示為用于附圖13的柵二極管感測(cè)放大器的多個(gè)波形；附圖15所示為使用p-型柵二極管實(shí)施的柵二極管感測(cè)放大器；附圖16所示為用于附圖15的柵二極管感測(cè)放大器的多個(gè)波形；附圖17所示為使用n-型柵二極管實(shí)施的柵二極管差動(dòng)感測(cè)放大器；附圖18所示為用于附圖17的柵二極管感測(cè)放大器的多個(gè)波形；附圖19A所示為從使用柵二極管放大器感測(cè)的兩個(gè)波形曲線，上面的曲線說明感測(cè)用于邏輯1的高電壓，下面的曲線說明感測(cè)用于邏輯0的低電壓；以及附圖19B所示為兩個(gè)波形曲線，上面的曲線用于p-型柵二極管感測(cè)放大器，下面的曲線用于n-型柵二極管感測(cè)放大器；附圖20A和20B所示為例如基于輸入信號(hào)、輸出信號(hào)、電壓、閾值電壓(Vt)和溫度產(chǎn)生用于柵二極管感測(cè)放大器的控制電壓(Vc)的方塊圖。
具體實(shí)施例方式
為便于參考，將下文的描述分為兩部分概述和柵二極管的結(jié)構(gòu)；和柵二極管放大器和小信號(hào)感測(cè)放大器電路。
概述和柵二極管的結(jié)構(gòu)術(shù)語“柵二極管”在此用于指一種兩端子半導(dǎo)體器件，這種兩端子半導(dǎo)體器件包括源極和柵極，在這里，在柵極到源極電壓(Vgs)在(n-型柵二極管)的閾值電壓之上時(shí)相對(duì)大量的電荷存儲(chǔ)在反型層中，否則實(shí)質(zhì)上少量、更小的數(shù)量級(jí)或者沒有電荷被存儲(chǔ)。結(jié)果，兩端子半導(dǎo)體器件的等效電容是非線性的，這意味著在第一端子上相對(duì)于第二端子的電壓高于閾值電壓時(shí)兩端子半導(dǎo)體器件具有較大的電容，以及在第一端子上相對(duì)于第二端子的電壓低于閾值電壓時(shí)具有非常小的電容。柵二極管是兩端子半導(dǎo)體器件的實(shí)例。可以使用具有如下特性的任何兩端子半導(dǎo)體器件在第一端子上相對(duì)于第二端子的電壓通常大于預(yù)定的電壓較小量時(shí)該兩端子器件具有較大的電容，而在第一端子上相對(duì)于第二端子的電壓小于預(yù)定的電壓時(shí)具有實(shí)質(zhì)上小的電容、更小的數(shù)量級(jí)的電容。預(yù)定的電壓在此稱為閾值電壓。例如，對(duì)于使用n-型場(chǎng)效應(yīng)管(FET)技術(shù)的柵二極管，在閾值電壓之上的電壓使大量的電荷存儲(chǔ)在反型層中，在閾值之下的電壓使實(shí)質(zhì)上少量、更小數(shù)量級(jí)的電荷或者沒有電荷被存儲(chǔ)。對(duì)于將來的技術(shù)，即將來的塊硅、絕緣體上硅(SOI)或雙柵finFET技術(shù)，在實(shí)施基于柵二極管的電路時(shí)可以使用這種柵源特性，如下文所解釋。
如下文附圖所示，在普通的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)設(shè)置中，通過三端子FET器件(n-型或p-型)的源極和柵極形成柵二極管，并且漏極浮置(例如斷開或不存在)，如(例如)附圖1B、4B、6和8所示。有時(shí)這種FET的源極和漏極可以連接在相同的電位上并可看作并聯(lián)的兩個(gè)柵二極管，如(例如)附圖2B、5B、7和9所示。在本說明書中，這兩種情況可互換地使用。在沒有明確指出時(shí)，柵二極管僅指第一種基本形式，即僅指半導(dǎo)體器件的源極和柵極。
附圖1A所示為第一n-型柵二極管的實(shí)例性符號(hào)。符號(hào)190所示為在附圖1A-1C中所示的第一n-型柵二極管的實(shí)例性符號(hào)。附圖1B所示為在半導(dǎo)體中形成的第一n-型柵二極管100的側(cè)視圖的實(shí)例。第一n-型柵二極管100包括形成在柵極115(例如，N+摻雜多晶硅)和p-阱130之間的柵絕緣體120、源極擴(kuò)散區(qū)110、兩個(gè)淺溝槽隔離(STI)區(qū)105和125、可選擇的n隔離帶140和p-襯底135。如下文所述，在p-阱130中的摻雜劑濃度實(shí)質(zhì)上控制柵二極管100的閾值電壓。附圖1C所示為柵二極管100的頂視圖的實(shí)例。柵二極管100包括多晶硅柵極區(qū)170、擴(kuò)散區(qū)160、用于多晶硅柵極區(qū)170的至少一個(gè)觸點(diǎn)165-1和用于擴(kuò)散區(qū)160的至少一個(gè)觸點(diǎn)165-3。在附圖1A的實(shí)例性實(shí)施例中，示出了四個(gè)觸點(diǎn)165-1至165-4。
附圖2A所示為用于第二n-型柵二極管的實(shí)例性符號(hào)。符號(hào)190所示為在附圖2A-2C中所示的第二n-型柵二極管的實(shí)例性符號(hào)。相同的符號(hào)190用于附圖1A和2A兩者。附圖2B所示為在半導(dǎo)體中形成的第二n-型柵二極管100的側(cè)視圖的實(shí)例。第二n-型柵二極管200包括形成在柵極215(例如N+摻雜多晶硅)和p-阱230之間的柵絕緣體220、源極擴(kuò)散區(qū)210、兩個(gè)STI區(qū)205和225、可選擇的n隔離帶240、p-襯底235、“漏極”擴(kuò)散區(qū)245和電耦合源極擴(kuò)散區(qū)210和漏極擴(kuò)散區(qū)245的耦合250。如下文所述，在p-阱230中的摻雜劑濃度實(shí)質(zhì)上控制柵二極管100的閾值電壓。附圖2C所示為柵二極管200的頂視圖的實(shí)例。柵二極管200包括多晶硅柵極區(qū)170、擴(kuò)散區(qū)160、用于多晶硅柵極區(qū)170的至少一個(gè)觸點(diǎn)165-1、用于源/漏擴(kuò)散區(qū)160一側(cè)的至少一個(gè)觸點(diǎn)165-3和用于源/漏擴(kuò)散區(qū)160另一側(cè)的至少一個(gè)觸點(diǎn)165-5。在附圖2A的實(shí)例性實(shí)施例中，示出了六個(gè)觸點(diǎn)165-1至165-6。
附圖3A和附圖3B所示為柵二極管100/200存儲(chǔ)的電荷如何隨柵極到源極的電壓(Vgs)變化。相對(duì)于源極105/205在對(duì)應(yīng)于高電壓(例如邏輯1)的電壓存在柵極115/215中并且該電壓高于柵二極管100/200的閾值電壓(Vt)時(shí)，實(shí)質(zhì)上大量的電荷存儲(chǔ)在柵極115/215中(例如通過形成在柵極115/215之下的反型層126/226)。在對(duì)應(yīng)于低電壓(例如邏輯0)的電壓存在于與源極105/205相關(guān)的柵極115/215中并且電壓低于柵二極管100/200的閾值電壓時(shí)，實(shí)質(zhì)上少量的電荷或沒有電荷被存儲(chǔ)在柵極115/215中(例如沒有或非常少的電荷在柵極存儲(chǔ)115/215下，因?yàn)榉葱蛯?26/226不存在)。因此，柵二極管的電容特性與柵極到源極電壓(Vgs)的關(guān)系在附圖3A和附圖3B中示出。在Vgs在閾值電壓之下時(shí)可忽略該電容(例如通過存儲(chǔ)的電荷確定)，而在Vgs在閾值電壓之上時(shí)該電容直接隨Vgs增加，并在Vgs的某些值上達(dá)到最大值。在Vgs高于閾值電壓時(shí)，一定量的電荷存儲(chǔ)在柵二極管中，該柵二極管起電容器的作用。在Vgs在閾值電壓之下時(shí)，柵二極管100/200不是電容器或者具有可忽略的電容。在曲線之下的面積是被存儲(chǔ)的電荷量。正是這種隨Vgs變化的電容形成了許多新的且有用的電路。
附圖3B所示也為柵二極管的電容如何隨柵二極管的柵極尺寸變化。對(duì)于給定的柵氧化物厚度和電介質(zhì)常數(shù)，在Vgs在閾值電壓之上時(shí)獲得的柵二極管的電容的最大值大致與柵二極管的柵極的面積成比例。
在此假設(shè)對(duì)應(yīng)于邏輯1的電壓是所使用的技術(shù)的高電壓，并且對(duì)應(yīng)于邏輯0的電壓是用于該技術(shù)的低電壓。然而，這僅僅是一種假設(shè)，該邏輯電平可以顛倒。此外，假設(shè)閾值電壓是絕對(duì)值，因此在第一端子上的電壓在絕對(duì)值上大于閾值電壓時(shí)p-柵二極管具有較大的電容。
在本說明書中，如果沒有明確說明，則認(rèn)為柵二極管是n-型。對(duì)于p-型柵二極管，電壓和操作與n-型的互補(bǔ)，并且本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以對(duì)應(yīng)地設(shè)計(jì)。
通過在制造的過程中的注入量(例如在p-阱130、230或在下面的附圖中所示的阱中擴(kuò)散的摻雜劑)可以比常規(guī)的FET精確得多地控制在零Vt、低Vt、規(guī)則的Vt和高Vt的多種范圍上的柵二極管100/200閾值電壓。這形成了對(duì)放大器、小信號(hào)感測(cè)放大器和使用柵二極管的其它電路的過程變化更加不敏感的、且更加精確的閾值電壓。通過注入精確地控制閾值電壓直接與放大器的信號(hào)噪聲比裕度相關(guān)，對(duì)于感測(cè)小信號(hào)，極大地提高了信號(hào)噪聲比裕度。
附圖4A所示為用于第一p-型柵二極管的實(shí)例性符號(hào)。符號(hào)490是用于附圖4B所示的第一p-型柵二極管的實(shí)例性符號(hào)。相同的符號(hào)490用于附圖4A和5A兩者。附圖4B所示為在半導(dǎo)體中形成的第一p-型柵二極管400的側(cè)視圖的實(shí)例。第一p-型柵二極管400包括在柵極415(例如P+摻雜多晶硅)和n-阱430之間的柵絕緣體420、源擴(kuò)散區(qū)410、兩個(gè)STI區(qū)405和425以及p-襯底435。n-阱430中的摻雜劑濃度實(shí)質(zhì)上控制柵二極管400的閾值電壓。
附圖5A所示為用于第二p-型柵二極管的實(shí)例性符號(hào)。符號(hào)490所示為在附圖5B中的第二p-型柵二極管的實(shí)例性符號(hào)。附圖5B所示為形成在半導(dǎo)體中的第二p-型柵二極管500的側(cè)視圖的實(shí)例。第二p-型柵二極管500包括形成在柵極515(例如P+摻雜多晶硅)和n-阱530之間的柵絕緣體520、源極擴(kuò)散區(qū)510、兩個(gè)STI區(qū)505和525、p-襯底535、“漏極”擴(kuò)散區(qū)545和電耦合在源極擴(kuò)散區(qū)510和漏極擴(kuò)散區(qū)545之間的耦合550。n-阱530中的摻雜劑濃度實(shí)質(zhì)上控制柵二極管500的閾值電壓。
附圖6所示為在SOI中形成的第一n-型柵二極管600的側(cè)視圖的實(shí)例。第一n-型柵二極管600包括在柵極615(例如N+摻雜多晶硅)和p-阱630之間的柵絕緣體620、源擴(kuò)散區(qū)610、兩個(gè)STI區(qū)605和625和絕緣體635。p-阱630形成在阱邊界636之上。p-阱630中的摻雜劑濃度實(shí)質(zhì)上控制柵二極管600的閾值電壓。
附圖7所示為在SOI中形成的第二n-型柵二極管700側(cè)視圖的實(shí)例。第二n-型柵二極管700包括形成在柵極715(例如N+摻雜多晶硅)和p-阱730之間的柵絕緣體720、源極擴(kuò)散區(qū)710、兩個(gè)STI區(qū)705和725、絕緣體735、“漏極”擴(kuò)散區(qū)745以及電耦合在源極擴(kuò)散區(qū)710和漏極擴(kuò)散區(qū)745之間的耦合750。p-阱730形成在阱邊界736之上。p-阱730中的摻雜劑濃度實(shí)質(zhì)上控制柵二極管500的閾值電壓。
附圖8所示為在SOI中形成的第一p-型柵二極管800的側(cè)視圖的實(shí)例。第一p-型柵二極管800包括形成在柵極815(例如P+摻雜多晶硅)和n-阱830之間的柵絕緣體820、源極擴(kuò)散區(qū)810、兩個(gè)STI區(qū)805和825和絕緣體835。n-阱830形成在阱邊界836之上。在n-阱830中的摻雜劑濃度實(shí)質(zhì)上控制柵二極管800的閾值電壓。
附圖9所示為在SOI中形成的第二p-型柵二極管900的側(cè)視圖的實(shí)例。第二p-型柵二極管900包括形成在柵極915(例如P+摻雜多晶硅)和n-阱930之間的柵絕緣體920、源極擴(kuò)散區(qū)910、兩個(gè)STI區(qū)905和925、絕緣體935、“漏極”擴(kuò)散區(qū)945以及電耦合在源極擴(kuò)散區(qū)910和漏極擴(kuò)散區(qū)945之間的耦合950。p-阱930形成在阱邊界936之上。p-阱930中的摻雜劑濃度實(shí)質(zhì)上控制柵二極管900的閾值電壓。
柵二極管放大器和小信號(hào)感測(cè)放大器電路本說明書公開了用于單端或差分小信號(hào)感測(cè)的、包括柵二極管放大器和基于該柵二極管的小信號(hào)感測(cè)放大器在內(nèi)的電路。柵二極管放大器和小信號(hào)感測(cè)放大器通常包括如下柵二極管，或者一起用于負(fù)載信號(hào)線的柵二極管和隔離器件。
柵二極管放大器信號(hào)放大利用在柵溝道的反型層(例如反型層126/226)中存儲(chǔ)的電荷。如上文所述，在柵極上存在對(duì)應(yīng)于高電壓(例如邏輯1)的電壓信號(hào)并且該電壓高于柵二極管的閾值電壓時(shí)，電荷存儲(chǔ)在柵極(主要通過在柵極下的反型層)。在柵極存在對(duì)應(yīng)于低壓(例如邏輯0)的信號(hào)并且電壓低于柵二極管的閾值電壓時(shí)，在柵極中沒有存儲(chǔ)電荷或存儲(chǔ)很少的電荷。如上文所示，信號(hào)線連接到柵二極管的柵極。柵二極管的源極連接到控制線，通常在n-型柵二極管的地端(GND)或者p-型柵二極管的電源電壓(VDD)。
轉(zhuǎn)到附圖11A，示出了柵二極管放大器1100。柵二極管1100耦合到信號(hào)線1110，并且具有柵二極管1130，柵二極管1130的柵極輸入(和相應(yīng)的柵極)耦合到信號(hào)線1100，以及它的源極輸入(以及源極擴(kuò)散區(qū))耦合到控制線1120。信號(hào)線1110具有CL的電容1140，它是由信號(hào)線1110的電容、柵極的耦合電容和到信號(hào)線的連接電路的總電容(如果存在任何電容的話)所組成的集總電容。電容性負(fù)載(CL)不被認(rèn)為是柵二極管放大器1110的一部分。
在信號(hào)放大的過程中，在控制線上的電壓(Vs)通常被升壓。在控制線電壓之后，柵二極管的源極電壓(例如在源極擴(kuò)散區(qū))因此也被升壓一定的量(以VB表示)，通常為電源電壓(VDD)的50％至100％，對(duì)n-型升壓更高，而對(duì)p-型升壓更低。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到附圖10，所示為在電容器用作在放大器1110中的電荷存儲(chǔ)器件時(shí)的放大器的增益的曲線圖。換句話說，附圖11A的柵二極管1130通過常規(guī)或線性電容器(即電容隨電壓保持恒定的電容器)替代。第一曲線Vs所示為在控制線120上的電壓如何變化。第二曲線所示為點(diǎn)1101將如何變化。如附圖10所示，在使用電容器替代柵二極管1130時(shí)電路1100的增益大約為1。如果信號(hào)線1110具有高電壓，因此輸出將為VB加上高電壓(邏輯1)。如果信號(hào)線1110具有低電壓，輸出將為VB加上低電壓(邏輯0)。差值dVin總是在邏輯1和邏輯0電壓之間存在的差值。因此，dVout除以dVin的增益(邏輯1電壓減邏輯0電壓)大約是1。
再次參考附圖11A，在信號(hào)放大的過程中，根據(jù)作為耦合到相鄰器件的柵極的總寄生電容、線電容和連接電路的總電容(如果存在的話)的總和的總電容CL，對(duì)柵極電壓升壓(對(duì)n-型為上升或?qū)-型為下降地)接近源極升壓減一定量之后的量。在后面的分析中計(jì)算所得的升壓輸出的實(shí)際量(例如，在信號(hào)線1110上的輸出)。
如果在柵極上的信號(hào)是邏輯0，由于在柵極(例如在位置1101)中沒有存儲(chǔ)電荷或存儲(chǔ)很少的電荷并且柵二極管1130的柵極被切斷(柵極到源極的電壓(Vgs)在閾值電壓之下)，因此在檢測(cè)到邏輯零時(shí)在柵二極管的柵極上存在很小的電壓增加，輸出電壓VL保持在零或者實(shí)質(zhì)上很小的電壓上。這在附圖11B中示出，其中柵二極管1130具有非常小的電容，通過參考標(biāo)號(hào)1150示出。即使Vs可能升高，在信號(hào)線1110上所得的輸出電壓仍然將較低。換句話說，在控制線120和柵極(例如點(diǎn)1101)之間的電壓轉(zhuǎn)移將較小。
在另一方面，如果在柵極上的信號(hào)(對(duì)于n-型是從GND測(cè)量的電壓，而對(duì)于p-型是從VDD測(cè)量的電壓)已經(jīng)是高于柵二極管的閾值電壓的邏輯1。柵二極管導(dǎo)通并且主要的電荷開始存儲(chǔ)在柵二極管反型層中。隨著Vs增加，柵二極管1130變得更小地偏壓或被切斷，在反型層中的電荷轉(zhuǎn)移到與柵極連接的所有電容器(CL)，包括寄生電容、線性電容和相鄰器件(比如反相器或緩沖器的柵極)的電容。此外，源極和柵極用作電容器。在總電容(CL)與柵二極管(附圖11C中示出)的導(dǎo)通電容(Cg_gd(ON))相比在一定范圍內(nèi)時(shí)，在柵二極管1130的柵極上產(chǎn)生了較大的電壓增加。因此，如附圖11C所示，在VL大于Vt時(shí)，柵二極管可被看作較大的電容器，如參考標(biāo)號(hào)1160所示。換句話說，在控制線1120和柵極(例如點(diǎn)1101)之間的電壓轉(zhuǎn)移將較大。
這在柵二極管的柵極上在邏輯1和邏輯0的信號(hào)之間產(chǎn)生了較大的電壓差，通常為VDD的50至150％。這在附圖12中示出，這里dVout是較大的值。因此，柵二極管放大器1100實(shí)現(xiàn)了在感測(cè)的過程中通常2-10倍的電壓增益。柵二極管1130的輸出本身是滿CMOS電壓擺動(dòng)，并且可以驅(qū)動(dòng)典型的小反相器緩沖器或鎖存器。
下文的分析說明了柵二極管放大器的典型值。用Cg_gd(ON)和Cg_gd(OFF)分別表示在柵二極管導(dǎo)通和切斷時(shí)的柵電容。則Rc＝Cg_gd(ON)/CL，和rc＝Cg_gd(OFF)/CL。
對(duì)于典型的操作，負(fù)載電容值(CL)小于柵二極管的導(dǎo)通電容Cg_gd(ON)或者與其具有相同的數(shù)量級(jí)，但CL比柵二極管的切斷電容Cg_gd(OFF)大得多Cg_gd(ON)＞CL＞＞Cg_gd(OFF).
例如，Cg_gd(OFF)∶CL∶Cg_gd(ON)＝1∶10∶20，和Rc＝2，rc＝0.1。
首先考慮在閾值電壓之上的邏輯1信號(hào)，其中柵二極管導(dǎo)通。
用VL_HIGH表示邏輯1電壓，以及VL_LOW表示邏輯0電壓，對(duì)于n-型柵二極管通常是零(或地)。
在控制線Vs被升壓幅度VB的電壓時(shí)，在柵極上的輸出電壓如下Vout(1)＝VL_HIGH+VB Rc/(1+Rc)∽VL_HIGH+VB，這里(Rc＞＞1)Vout(0)＝VL_LOW+VB rc/(1+rc)∽VL_LOW，這里(rc＜＜1)用dVin表示在Vs上升之前在0和1之間的柵電壓的差，dVout表示在Vs上升之后在0和1之間的柵電壓的差。輸出差dVout如下dVout＝VL_HIGH+VB Rc/(1+Rc)-(VB rc/(1+rc)+VL_LOW)。
輸入差dVin如下dVin＝VL_HIGH-VL_LOW。
由于VL_LOW＝0，因此增益如下增益＝dVout/dVin∽1+(VB/VL_HIGH)Rc/(1+Rc)＞1。
考慮如下的實(shí)例，實(shí)例1，這里VB＝0.8V，VL_HIGH＝0.2V，VL_LOW＝0。
則增益＝5使用柵二極管，以及增益＝1，使用線性電容器。
考慮另一實(shí)例，實(shí)例2，這里VB＝0.8V，VL_HIGH＝0.1V，VL_LOW＝0。
則增益＝9使用柵二極管，以及增益＝1，使用線性電容器。
對(duì)于Rc較小(＜1)的情況，顯示柵二極管信號(hào)放大的增益由下式給定增益＝1+Rc-(Vt_gd/VL_HIGH)Rc∽1+Rc，
這里Vt_gd是柵二極管的閾值電壓。
附圖12B所示為在附圖12C和12D中使用的實(shí)例性柵二極管放大器和電壓。在附圖12B中，Vg_f是在柵二極管的柵極上的最終電壓。應(yīng)該注意，Vg_i是在柵二極管的柵極上的初始電壓。
附圖12C所示為附圖12B的柵二極管放大器的完全的和受限的電荷轉(zhuǎn)移區(qū)的表。完全的電荷轉(zhuǎn)移意味著柵二極管將全部電荷或非常接近其全部的電荷提供給負(fù)載CL。受限的電荷轉(zhuǎn)移意味著柵二極管僅將其電荷的一部分提供給負(fù)載CL。附圖12D所示為在不同的負(fù)載比率Rc下的柵二極管的電壓增益，這里Rc＝Cg_gd(ON)/CL，如前文所定義。
在信號(hào)線具有比柵二極管的導(dǎo)通電容更大的較大的電容性負(fù)載(CL)時(shí)，基本的柵二極管放大器的增益開始下降，并最終增益變?yōu)?(即沒有增益)。此外，高電容性負(fù)載將減慢放大器。
例如，下表所示為在柵二極管導(dǎo)通電容(Cg_gd(ON))與負(fù)載電容(CL)的不同比率下的增益。假設(shè)如下VB＝0.8V，VL_HIGH＝0.2V，VL_LOW＝0，和rc＝0.1。
該表是

這里Rc＝Cg_gd(ON)/CL，dVout＝VL_HIGH+VB Rc/(1+Rc)，dVin＝VL_HIGH，和增益＝dVout/dVin。
(2)柵二極管小信號(hào)感測(cè)放大器為處理具有高得多的負(fù)載的信號(hào)線，本說明書描述了一種如在附圖13中所示的第二柵二極管感測(cè)放大器1300。柵二極管感測(cè)放大器1300包括柵二極管1330和隔離器件1345。隔離器件1345耦合到信號(hào)線1310和緩沖器或鎖存器1360的輸入。緩沖器或鎖存器1360是用于確定位置1301處的電壓并產(chǎn)生表示對(duì)應(yīng)于這個(gè)電壓的邏輯狀態(tài)的輸出1380的輸出電路。例如，在位置1301上小于X伏特可以被認(rèn)為是邏輯0，而大于X伏特可以被認(rèn)為是邏輯1。緩沖器或鎖存器1360的輸出電壓(在本實(shí)例中反相)對(duì)應(yīng)于邏輯狀態(tài)0或1中的一個(gè)(即緩沖器或鎖存器1360可以響應(yīng)于在位置1301上的邏輯1輸出邏輯0或響應(yīng)于在位置1301上的邏輯0輸出邏輯1)。在附圖13的實(shí)例中，緩沖器或鎖存器1360是包括n-型FET1370和p-型晶體管1365的反相器?？刂凭€1320耦合到柵二極管1330的源極輸入。信號(hào)線1310具有電容1350。第二放大器1300的柵二極管1330部分的描述和操作與第一放大器1100相同，包括控制線和控制電壓(Vs)。
柵二極管感測(cè)放大器1300的這個(gè)第二實(shí)例性結(jié)構(gòu)通常應(yīng)用到下面的情況信號(hào)源Vi來自具有非常大電容負(fù)載的信號(hào)線。理想的是將在信號(hào)線上的負(fù)載與柵二極管輸出信號(hào)Vgd隔離，但允許在信號(hào)線上的小信號(hào)通過并被放大，因此在感測(cè)的過程中不加載柵二極管感測(cè)放大器1300，因此不影響放大速度。
理想的是，將柵二極管1330與信號(hào)線1310和信號(hào)源Vi隔離，因此在柵極上的電壓(例如在位置1301上的輸出)的較大的增加不干擾原始信號(hào)源。
在柵二極管1330的第一端子(例如柵極)上的電壓高于預(yù)定值時(shí)隔離器件1345適合于將在信號(hào)線上的信號(hào)與柵二極管1330的第一端子隔離(例如柵極)。在信號(hào)線1310上的電壓低于預(yù)定值時(shí)隔離器件1345適合于使來自信號(hào)線1310的信號(hào)傳輸?shù)綎哦O管1330。隔離器件1345適合于將在信號(hào)線1310上的大負(fù)載1350與柵二極管輸出1301隔離。
柵二極管1330的第一端子(例如柵極)可以檢測(cè)并放大在信號(hào)線上的信號(hào)(例如輸入)，但通過隔離器件控制電壓(例如在隔離器件上的柵電壓)的適當(dāng)設(shè)置，在柵二極管的第一端子(例如柵極)上的電壓(例如它是放大器1300的輸出)將不影響信號(hào)線。即，隔離器件1345可以使信號(hào)1從信號(hào)線1310單向傳輸?shù)綎哦O管輸出1301并放大它。
柵二極管感測(cè)放大器1300一般用于感測(cè)來自地端(GND)的單端小信號(hào)。如上文所述，信號(hào)線1310通過隔離器件1345與柵二極管1330的源極隔離。隔離器件通常包括具有柵極的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)。如上文所述，在信號(hào)線1310上的電壓(包括在柵二極管1330上的柵極上的電壓)小于如下文描述的預(yù)定值Vx時(shí)隔離器件1345適合于導(dǎo)通。在柵二極管1330的柵極上的電壓在預(yù)定值之上時(shí)隔離器件1345適合于單向地切斷。隔離器件1345在隔離器件的柵極上具有下文描述的電壓Vc，該電壓大于隔離器件1345的閾值電壓。結(jié)果，組合的隔離器件1345和柵二極管1330實(shí)現(xiàn)了用于小信號(hào)的高速信號(hào)放大。雖然在此描述了小信號(hào)，但是放大器1300也可用于大信號(hào)。
隔離器件1345的柵極連接到恒定電壓(Vc)，它的電壓值由要感測(cè)的小信號(hào)的電壓幅值和隔離器件的閾值電壓確定，如下式所示Vc＝Vx+Vt_隔離器件+V-margin，這里Vx是與要感測(cè)的小信號(hào)的電壓幅值相同的預(yù)定的電壓，V_margin是設(shè)計(jì)的裕度的可選擇的小電壓。
如上文所述，隔離器件1345使所述信號(hào)線1310和所述信號(hào)源Vi與柵二極管感測(cè)放大器1300隔離，因此在感測(cè)邏輯1時(shí)-從信號(hào)線1310和信號(hào)源Vi到柵二極管1330存在較低的阻抗，因此直接將原始小信號(hào)應(yīng)用到柵二極管1330的柵極以檢測(cè)和放大；和-從柵二極管1330的柵極到信號(hào)線1310和信號(hào)源Vi存在高阻抗，因此來自柵二極管1330的柵極的較大的輸出擺動(dòng)(例如在輸出1301上)不干擾原始的小信號(hào)。
在具有幅值Vx的邏輯1的小電壓出現(xiàn)在信號(hào)線1310上時(shí)，隔離器件導(dǎo)通。因此小信號(hào)立即出現(xiàn)在柵二極管1330的柵極上，并且可以如第一柵二極管感測(cè)放大器1100中所描述地檢測(cè)和放大。在控制電壓(Vs)被升壓時(shí)，柵極電壓可以如在第一柵二極管感測(cè)放大器1100那樣自由上升，因?yàn)樵谖恢?301上的柵極電壓上升時(shí)隔離器件1345被切斷，盡管有高信號(hào)線電容1350。隔離器件1345將柵二極管1330的柵極與高負(fù)載的信號(hào)線1310去耦，因此自柵二極管1330增益的電壓不受信號(hào)線1310負(fù)載影響，并且來自柵極的高電壓增加(例如在位置1301上)不傳遞到信號(hào)線1310中并且不會(huì)干擾原始信號(hào)電壓和信號(hào)源。第二柵二極管感測(cè)放大器1300的增益仍然保持非常接近第一柵二極管感測(cè)放大器1100的增益。
附圖14所示為柵二極管感測(cè)放大器1300的操作的一種可能的方法。在附圖14中，繪制了放大器的各種信號(hào)的電壓-時(shí)間曲線以說明可能的操作方法。第一曲線Vi是小信號(hào)的電壓(Vi)，它是對(duì)應(yīng)于具有電源電壓(VDD)的通常大約10至20％的幅值的邏輯1的小信號(hào)。也示出了對(duì)應(yīng)于邏輯0的信號(hào)，但它保持在0V(GND)。第二曲線是控制電壓(Vs)。在小信號(hào)(Vi)隨時(shí)間形成并高達(dá)某一實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，控制線1320的電壓?jiǎn)?dòng)以對(duì)柵二極管源極升壓VB的量。這在上面的第二曲線Vs中示出。第三曲線Vgd是稱為柵二極管輸出的柵二極管(Vgd，或位置1301)的柵極上的電壓。如果信號(hào)是邏輯0，這種Vgd電壓幾乎保持0V(GND)。如果信號(hào)是邏輯1，則電荷存儲(chǔ)在柵極反型層，并且正好在從Vs以很小的延遲使Vs被升壓之后，柵極電壓(Vgd)以快得多的速率朝電源電壓(VDD)上升，因?yàn)橥ㄟ^隔離器件1345使信號(hào)線1310與柵二極管1330的柵極去耦，因此負(fù)載較小。電壓上升較快并且較大，依次導(dǎo)通下一級(jí)邏輯，比如緩沖器或鎖存器1360。如果電壓上升由常規(guī)的感測(cè)放大器引起，則可更早地確定電壓上升。示出了下一級(jí)的開關(guān)電壓與柵極電壓(Vgd)的關(guān)系。第四曲線Vout是下一級(jí)緩沖器的輸出1380，它通常不是基本的柵二極管感測(cè)放大器1300的一部分。第五曲線Vout(沒有柵二極管放大器)是不使用柵二極管1330的常規(guī)的感測(cè)放大器的電壓輸出。P-型形式的操作的方法和工作過程在附圖16中示出。它與對(duì)n-型形式的描述類似并且互補(bǔ)，并且對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員也是顯而易見的。
此外，在邏輯0存在時(shí)，在這種邏輯0的情況下，信號(hào)源、信號(hào)線1310和柵二極管輸出Vgd都保持在零伏特，同時(shí)通過低阻抗隔離器件1345連接到信號(hào)線1310的阻抗較低。在柵二極管1330中沒有電荷轉(zhuǎn)移，在信號(hào)線1310中沒有有效電流或泄漏電流流動(dòng)，因此導(dǎo)致了非常小的噪聲、電壓波動(dòng)和功率(與即使在邏輯零的信號(hào)狀態(tài)下仍然可能恒定地消耗功率的常規(guī)的信號(hào)端放大器相比)。因此，平均地，邏輯0在50％的時(shí)間內(nèi)發(fā)生，信號(hào)線1310穩(wěn)定在地電壓(GND)，并且不消耗功率。此外，它可用作寬信號(hào)或數(shù)據(jù)總線的“地屏蔽”。
對(duì)于以較高的頻率切換的較大電容性負(fù)載(CL)的寬信號(hào)總線，當(dāng)前的柵二極管感測(cè)放大器能夠使用、傳輸和檢測(cè)具有較大電容性負(fù)載(CL)的以較高頻率切換的、在寬信號(hào)總線上的非常小的信號(hào)。這個(gè)低電壓傳輸和檢測(cè)方案節(jié)省了大部分的有效功率。對(duì)于VDD＝0.8V，信號(hào)幅值Vx＝0.2V，通常有效功率節(jié)省大約75％。
附圖15所示為具有隔離器件1345的柵二極管感測(cè)放大器1300的p-型形式。柵二極管感測(cè)放大器1500用于感測(cè)來自電源電壓(VDD)的單端小信號(hào)。在通常的塊硅或SOI設(shè)置中，隔離器件1345是PFET器件，與柵二極管1530一樣。在附圖15中所示的p-型柵二極管的情況下，Vc也取決于VDD，因?yàn)樾盘?hào)從VDD電源電壓測(cè)量。對(duì)于對(duì)應(yīng)于邏輯0的信號(hào)，信號(hào)電壓處于VDD。對(duì)于對(duì)應(yīng)于邏輯1的信號(hào)，小信號(hào)電壓從VDD“下降”，具有幅值Vx。然后隔離器件的Vc如下；Vc＝VDD-(Vx+Vt_隔離器件+V_margin)。
柵二極管1530是p-型柵二極管(例如參見附圖4B、5B、8、9)。其操作與n-型形式互補(bǔ)并且對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知。柵二極管放大器的輸出即在柵二極管的柵極上的電壓公共地連接到小緩沖器(例如1360)以進(jìn)一步將檢測(cè)的信號(hào)輸送給其它的部件或連接到鎖存器(例如1360)以保持檢測(cè)的信號(hào)以用于進(jìn)一步處理。
附圖16所示為柵二極管感測(cè)放大器1500的一種可能的操作方法。在附圖16中，與附圖14類似，繪制放大器的各種信號(hào)的電壓-時(shí)間圖以說明可能的操作方法。在附圖16中所示的曲線與在附圖14中所示的曲線相同，僅僅極性相反(即，邏輯0是高電壓，邏輯1是低電壓)。第一曲線Vi是小信號(hào)電壓(Vi)，它是對(duì)應(yīng)于邏輯1、通常具有電源電壓(VDD)的大約10至20％的幅值的小信號(hào)。也示出了對(duì)應(yīng)于邏輯0的信號(hào)，但它保持在VDD。第二曲線是控制電壓(Vs)。在小信號(hào)(Vi)隨時(shí)間產(chǎn)生并高達(dá)某一實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，控制線1320的電壓?jiǎn)?dòng)以對(duì)柵二極管源極升壓VB的量。這在上面的第二曲線Vs中示出。第三曲線Vgd是稱為柵二極管輸出的柵二極管(Vgd，或位置1301)的柵極上的電壓。如果信號(hào)是邏輯0，這種Vgd電壓幾乎保持VDD。如果信號(hào)是邏輯1，則電荷存儲(chǔ)在柵極反型層，并且正好在從Vs以很小的延遲使Vs被升壓之后，柵極電壓(Vgd)以快得多的速率朝電源電壓(VDD)上升，這是由于通過隔離器件1345使信號(hào)線1310與柵二極管1330的柵極去耦，因此負(fù)載較小。電壓上升較快并且較大，依次導(dǎo)通下一級(jí)邏輯，比如緩沖器或鎖存器1360。如果電壓上升由常規(guī)的感測(cè)放大器引起則可更早地確定電壓上升。示出了下一級(jí)的開關(guān)電壓與柵極電壓(Vgd)的關(guān)系。第四曲線Vout是下一級(jí)緩沖器的輸出1380，它通常不是基本的柵二極管感測(cè)放大器1300的一部分。第五曲線Vout(沒有柵二極管放大器)是不使用柵二極管1330的常規(guī)的感測(cè)放大器的電壓輸出。
附圖17所示為對(duì)于小信號(hào)感測(cè)以差分模式操作的具有隔離器件的第二柵二極管感測(cè)放大器1700。兩個(gè)信號(hào)線1710，1711傳遞小信號(hào)差動(dòng)對(duì)一個(gè)信號(hào)是“真”，另一信號(hào)用作差分參考電壓。有兩個(gè)柵二極管1730，1731和隔離器件1745，1746，其中的每個(gè)用于真實(shí)信號(hào)和互補(bǔ)信號(hào)。每個(gè)柵二極管控制線1720，1721連接到控制信號(hào)Vs，控制電壓升壓并且每個(gè)放大器作為放大器的單端形式操作。兩個(gè)柵二極管1730，1731的兩個(gè)輸出1701，1702公共地連接到具有差動(dòng)輸入的差動(dòng)緩沖器或鎖存器1790。差動(dòng)緩沖器或鎖存器1790產(chǎn)生輸出1780。
附圖18所示為柵二極管差動(dòng)感測(cè)放大器1700的一種可能的操作方法。在附圖18中，繪制放大器1700的各種信號(hào)的電壓-時(shí)間圖以說明可能的操作方法。第一曲線Vi是小信號(hào)電壓(Vi)，它是對(duì)應(yīng)于邏輯1、通常具有電源電壓(VDD)的大約10至20％的幅值的小信號(hào)。也示出了Vi的差分參考信號(hào)作為Vi_b。第二曲線是控制電壓(Vs)。在小信號(hào)(Vi)隨時(shí)間產(chǎn)生并高達(dá)某一實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，控制線1320電壓?jiǎn)?dòng)以對(duì)柵二極管源極升壓VB的量。這在上面的第二曲線Vs中示出。第三曲線Vgd是稱為柵二極管輸出的柵二極管(在位置1701的Vgd，或在位置1702上的Vgd_b)的柵極上的電壓。如果信號(hào)是邏輯0，這種Vgd電壓幾乎保持VDD。如果信號(hào)是邏輯1，則電荷存儲(chǔ)在柵極反型層，并且正好在從Vs以很小的延遲使Vs被升壓之后，柵極電壓(Vgd)以快得多的速率朝電源電壓(VDD)上升，這是由于通過隔離器件1745使信號(hào)線1710與柵二極管1730的柵極去耦，因此負(fù)載較小。電壓上升較快并且較大，依次導(dǎo)通下一級(jí)邏輯，比如緩沖器或鎖存器1790。如果電壓上升由常規(guī)的感測(cè)放大器引起則可更早地確定電壓上升。示出了下一級(jí)的開關(guān)電壓與柵極電壓(Vgd)的關(guān)系。第四曲線Vout是下一級(jí)緩沖器的輸出1780，它通常不是基本的柵二極管差動(dòng)感測(cè)放大器1700的一部分。第五曲線Vout(沒有柵二極管放大器)是不使用柵二極管1730的常規(guī)的感測(cè)放大器的電壓輸出。
對(duì)于給定的技術(shù)，應(yīng)用GND(對(duì)于n-型)和VDD(對(duì)于p-型)的已知的值即Vt_隔離器件和V_margin(設(shè)計(jì)裕度)以及預(yù)定的電壓Vx(它是感測(cè)信號(hào)的幅值)，控制電壓(Vc)可以被導(dǎo)出然后應(yīng)用到隔離器件的柵極。因此，從某些已知的參數(shù)比如VDD、GND和Vx中可以得出隔離器件控制電壓的基本設(shè)置。
在一般的設(shè)置中，Vc可以是可變的電壓，并且Vc可以從某些參數(shù)和信號(hào)特性中導(dǎo)出以用于其它的應(yīng)用，比如過程、FET閾值電壓、電源電壓和溫度控制，其中Vc從過程、電壓和溫度測(cè)量和反饋中產(chǎn)生以補(bǔ)償某些系統(tǒng)變化和特性。Vc也用于數(shù)字地導(dǎo)通和切斷隔離器件以執(zhí)行某些邏輯功能。
附圖19A所示為使用柵二極管放大器感測(cè)的波形的兩曲線圖，上部的曲線顯示感測(cè)邏輯1的高電壓，下部曲線顯示感測(cè)邏輯0的低電壓。示出了控制線、信號(hào)線輸入、柵二極管柵極和緩沖器/鎖存器輸出的電壓。在上部曲線中，柵二極管電壓以相對(duì)較小的信號(hào)輸入(例如邏輯1)上升一些。柵二極管的高電容允許大部分控制電壓出現(xiàn)在柵二極管的柵極上。緩沖器/鎖存器輸出也顯示切換發(fā)生。從下部曲線中可以看出，柵二極管輸出電壓以邏輯0的小信號(hào)輸入也上升較小的量，但緩沖器/鎖存器輸出保持較高。柵二極管的小電容僅允許非常小的一部分控制電壓出現(xiàn)在柵二極管的柵極上。
附圖19B所示為兩個(gè)波形曲線，上部曲線源自在用于存儲(chǔ)器的初級(jí)感測(cè)放大器(PSA)中使用的p-型柵二極管感測(cè)放大器，下部曲線源自在用于存儲(chǔ)器的次級(jí)感測(cè)放大器(SSA)中使用的n-型柵二極管感測(cè)放大器。示出了控制線、信號(hào)線輸入、柵二極管柵極、感測(cè)放大器(SA)設(shè)定信號(hào)和感測(cè)放大器輸出的電壓。在上部曲線的左邊部分中，柵二極管電壓隨邏輯1降低。PSA輸出也顯示切換發(fā)生。從上部曲線的右側(cè)中可以看出，對(duì)于邏輯0，柵二極管輸出電壓確實(shí)降低了較小的量，但PSA輸出保持較低。在下部曲線的左部分中，柵二極管電壓隨邏輯1上升一些。SSA輸出也顯示切換發(fā)生。在下部曲線的右側(cè)上，對(duì)于邏輯0，柵二極管輸出電壓確實(shí)上升了較小的量，但SSA輸出保持較高。
附圖20A所示為具有變化的Vc電壓產(chǎn)生的電路2000的方塊圖。電路2000包括產(chǎn)生Vc2005的Vc發(fā)生器2020和附圖13的柵二極管放大器1300。Vc發(fā)生器2020包括參考電壓(Vref)產(chǎn)生電路2015和電壓輸出電路Vout2020。在附圖20A中描述的技術(shù)可用于在附圖15和17中所示的感測(cè)放大器。在附圖20A中所示的實(shí)例性實(shí)施例中，Vc等于Vx+Vt_id。預(yù)定的電壓Vx是輸入信號(hào)Vi的幅值并且通過使用作為Vref產(chǎn)生電路2015的一部分的典型的峰值檢測(cè)電路(未示)來檢測(cè)信號(hào)Vi的峰值。Vx被加到隔離器件的芯片上測(cè)量的閾值電壓(Vt_id)。組合的信號(hào)Vx+Vt_id形成了Vref。如果如前文描述地選擇Vc作為Vx+Vt_id+V_margin，則因此可以包括設(shè)計(jì)裕度V_margin。通過受參考電壓輸入(Vref)和反饋輸出電壓(Vout)控制的電壓輸出電路(Vcout)2010產(chǎn)生電壓Vc。輸出Vout與在輸出電路(Vcout)中的參考電壓Vref進(jìn)行比較，因此根據(jù)Vref動(dòng)態(tài)地產(chǎn)生Vc并自調(diào)節(jié)Vc以滿足操作條件。
附圖20B所示為在信號(hào)電壓、電源電壓和過程參數(shù)中的一般設(shè)置中的Vc的產(chǎn)生的示意性方塊圖。在本實(shí)例中，Vc發(fā)生器2030具有可接收多個(gè)輸入的Vref產(chǎn)生電路2035。例如，參考電壓Vref可基于輸入信號(hào)、輸出信號(hào)、某些芯片上過程參數(shù)(比如溫度、某些晶體管的閾值電壓、電壓和更多的輸入(在附圖20B中以“...”示出))導(dǎo)出。輸出電路(Vcout)的參考電壓(Vref)和反饋輸出電壓(Vout)動(dòng)態(tài)地產(chǎn)生用于感測(cè)放大器(比如感測(cè)放大器1300)的控制電壓Vc。此外，輸出電路(Vcout)可通過一個(gè)或多個(gè)輸入信號(hào)(Vdigital)數(shù)字地控制，如附圖20B所示。信號(hào)(Vdigital)是從感測(cè)放大器輸入信號(hào)(Vi)和感測(cè)放大器輸出(Vout)典型地導(dǎo)出的一個(gè)或多個(gè)數(shù)字信號(hào)，基于某些數(shù)字操作，它們被反饋到Vref產(chǎn)生電路(Vrf_gen)2035。數(shù)字信號(hào)(Vdigital)然后用于根據(jù)某些邏輯功能(未示)并結(jié)合其它的參考電壓(Vref)數(shù)字地控制輸出電路(Vcout)(例如導(dǎo)通和切斷)，由此將輸出(Vout)值調(diào)節(jié)到某一(通常是精確的)電平。結(jié)果，根據(jù)某些模擬操作要求和邏輯功能可以動(dòng)態(tài)地(精確地或數(shù)字地)產(chǎn)生控制電壓Vc。
應(yīng)該理解的是，在此示出并描述的實(shí)施例和變型僅是本發(fā)明的原理的說明，在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的前提下本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以實(shí)施各種改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種放大信號(hào)的電路，該電路包括控制線；和具有第一和第二端子的兩端子半導(dǎo)體器件，第一端子耦合到信號(hào)線，第二端子耦合到控制線，其中在第一端子上相對(duì)于第二端子的電壓高于閾值的電壓時(shí)，所述兩端子半導(dǎo)體器件適合于具有一電容，而在第一端子上相對(duì)于第二端子的電壓小于所述閾值電壓時(shí)具有一更低的電容，其中控制線適合于耦合到控制信號(hào)，以及其中信號(hào)線適合于耦合到一信號(hào)并且成為該電路的輸出。
2.權(quán)利要求1的電路，其中兩端子半導(dǎo)體器件包括具有阱的柵二極管，以及其中通過改變?cè)跂哦O管的阱中的摻雜劑水平可以改變所述閾值電壓。
3.權(quán)利要求1的電路，進(jìn)一步包括在信號(hào)線和兩端子半導(dǎo)體器件中間的隔離器件，該隔離器件具有輸入、輸出和控制端子，該隔離器件的輸入耦合到信號(hào)線，隔離器件的輸出耦合到第一端子，其中隔離器件的輸出適合于成為該電路的輸出，由此隔離器件的控制端子可以被設(shè)置到控制電壓。
4.權(quán)利要求3的電路，其中隔離器件適合于在兩端子半導(dǎo)體器件的第一端子上的電壓大于一預(yù)定電壓并且在隔離器件的控制端子上的控制電壓被設(shè)定到所述預(yù)定的控制電壓時(shí)，將在信號(hào)線上的信號(hào)與兩端子半導(dǎo)體器件的第一端子隔離；在兩端子半導(dǎo)體器件的第一端子上的電壓小于預(yù)定電壓并且在隔離器件上的控制端子上的控制電壓被設(shè)定到所述預(yù)定的控制電壓時(shí)，使信號(hào)線上的信號(hào)從兩端子半導(dǎo)體器件的第一端子通過。
5.權(quán)利要求3的電路，其中隔離器件包括場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)。
6.權(quán)利要求5的電路，其中隔離器件適合于在兩端子半導(dǎo)體器件的第一端子上的電壓大于預(yù)定電壓并且在隔離器件的控制端子上的控制電壓被設(shè)定到所述預(yù)定的控制電壓時(shí)，被切斷；在兩端子半導(dǎo)體器件的第一端子上的電壓小于預(yù)定電壓并且在隔離器件上的控制端子上的控制電壓被設(shè)定到所述預(yù)定的控制電壓時(shí)，被導(dǎo)通。
7.權(quán)利要求5的電路，其中FET是n型FET。
8.權(quán)利要求5的電路，其中FET是p型FET。
9.權(quán)利要求1的電路，進(jìn)一步包括適合于產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于在柵二極管的柵極輸入上的電壓的輸出。
10.權(quán)利要求9的電路，其中輸出電路包括如下中的一個(gè)或多個(gè)緩沖器、反相器和鎖存器。
11.權(quán)利要求1的電路，其中兩端子半導(dǎo)體器件包括柵二極管，該柵二極管包括在柵極和阱之間形成的絕緣體、與絕緣體和柵極的一側(cè)鄰接并重疊的源極擴(kuò)散區(qū)和與絕緣體和柵極的另一側(cè)鄰接的淺溝槽隔離區(qū)，其中第二端子耦合到源極擴(kuò)散區(qū)，第一端子耦合到柵極。
12.權(quán)利要求1的電路，其中兩端子半導(dǎo)體器件包括柵二極管，該柵二極管包括在柵極和阱之間形成的絕緣體、與絕緣體和柵極的一側(cè)鄰接并重疊的源極擴(kuò)散區(qū)、與絕緣體和柵極的另一側(cè)鄰接并重疊的漏極擴(kuò)散區(qū)、和電耦合源極區(qū)和漏極區(qū)的耦合，其中第二端子耦合到源極擴(kuò)散區(qū)，第一端子耦合到柵極。
13.權(quán)利要求1的電路，其中兩端子半導(dǎo)體器件包括柵二極管。
14.權(quán)利要求13的電路，其中柵二極管是n-型柵二極管，其中閾值電壓是正電壓，其中在第一端子上相對(duì)于第二端子的電壓相比閾值電壓為更正電壓時(shí)，兩端子半導(dǎo)體器件適合于具有一電容，而在第一端子上的電壓相比閾值電壓為更小的正壓時(shí)，兩端子半導(dǎo)體器件具有更低的電容。
15.權(quán)利要求13的電路，其中柵二極管是p-型柵二極管，其中閾值電壓是負(fù)電壓，其中在第一端子上相對(duì)于第二端子的電壓相比閾值電壓為更負(fù)電壓時(shí)，兩端子半導(dǎo)體器件適合于具有一電容，而在第一端子上的電壓相比閾值電壓為更小的負(fù)壓時(shí)具有更低的電容。
16.權(quán)利要求1的電路，其中輸出是第一輸出，以及其中電路進(jìn)一步包括第二控制線；具有附加的第一端子和附加的第二端子的第二兩端子器件，第二第一端子耦合到第二信號(hào)線，以及附加的第二端子耦合到第二控制線，其中第二控制線適合于耦合到控制信號(hào)，以及其中第二信號(hào)線適合于耦合到第二信號(hào)并是第二輸出，其中在第一端子上的電壓高于閾值電壓時(shí)，第二兩端子半導(dǎo)體器件適合于具有一電容，而在第一端子上的電壓小于閾值電壓時(shí)具有更低的電容；和耦合到第一和第二輸出并適合于輸出對(duì)應(yīng)于第一和第二輸出的至少一個(gè)電壓的差分信號(hào)電路。
17.權(quán)利要求3的電路，進(jìn)一步包括；耦合到隔離器件的控制端子并適合于產(chǎn)生并調(diào)節(jié)控制電壓的控制電壓發(fā)生器。
18.權(quán)利要求17的電路，其中控制電壓發(fā)生器包括至少產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路和產(chǎn)生控制電壓的電壓輸出電路，電路輸出電路至少具有控制電壓和參考電壓的輸入。
19.權(quán)利要求18的電路，其中參考電壓產(chǎn)生電路進(jìn)一步產(chǎn)生耦合到電壓輸出電路的數(shù)字電壓。
20.權(quán)利要求18的電路，其中基準(zhǔn)電路產(chǎn)生電路耦合到下列輸入中的一個(gè)或多個(gè)地電壓；電源電壓；輸入信號(hào)；閾值電壓；一個(gè)或多個(gè)附加的閾值電壓；一個(gè)或多個(gè)溫度信號(hào)；和控制電壓。
21.一種放大信號(hào)的方法，該方法包括如下的步驟確定在信號(hào)線上的電壓將要被放大；和改變控制線上的電壓，其中控制線耦合到兩端子半導(dǎo)體器件的第二端子，該兩端子半導(dǎo)體器件具有第一端子和所述第二端子，第一端子耦合到信號(hào)線，第二端子耦合到控制線，其中在第一端子上的電壓高于閾值電壓時(shí)兩端子半導(dǎo)體器件適合于具有一電容，而在第一端子上的電壓小于閾值電壓時(shí)具有一更低的電容，以及其中控制線適合于耦合到控制信號(hào)，以及其中信號(hào)線適合于耦合到一信號(hào)并且成為電路的輸出。
22.權(quán)利要求21的方法，進(jìn)一步包括基于在輸出中的電壓確定被感測(cè)的電壓的步驟，由此在第一端子上相對(duì)于第二端子的電壓高于閾值電壓時(shí)放大被感測(cè)的電壓，而在第一端子上相對(duì)于第二端子的電壓低于閾值電壓時(shí)不放大被感測(cè)的電壓。
23.權(quán)利要求21的方法，其中兩端子半導(dǎo)體器件包括具有阱的柵二極管，其中通過改變?cè)跂哦O管的阱中的摻雜劑水平可以改變閾值電壓。
24.權(quán)利要求21的方法，其中隔離器件在信號(hào)線和兩端子半導(dǎo)體器件中間，該隔離器件具有輸入、輸出和控制端子，該隔離器件的輸入耦合到信號(hào)線，隔離器件的輸出耦合到第一端子，其中隔離器件的輸出適合于成為電路的輸出，以及其中該方法進(jìn)一步包括將控制電壓應(yīng)用到隔離器件的控制端子的步驟，該控制電壓大于隔離器件的閾值電壓。
25.權(quán)利要求24的方法，其中施加到隔離器件控制端子的控制電壓加上耦合到隔離器件輸入的信號(hào)的預(yù)期電壓，由此隔離器件使具有小于預(yù)期電壓的電壓的信號(hào)通過而不通過具有大于預(yù)期電壓的電壓的信號(hào)。
26.權(quán)利要求24的方法，其中隔離器件包括場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)，其中FET在適合于信號(hào)線上的電壓低于預(yù)定值時(shí)被導(dǎo)通，而在兩端子半導(dǎo)體器件的第一端子上的電壓高于該預(yù)定值時(shí)適合于被切斷。
27.權(quán)利要求26的方法，其中FET是n-型FET，其中FET的控制端子是FET的柵極，以及其中將控制電壓施加到隔離器件的控制端子的步驟進(jìn)一步包括將高于閾值電壓的電壓施加到FET的柵極的步驟。
28.權(quán)利要求26的方法，其中FET是p-型FET，其中FET的控制端子是柵極，以及其中將控制電壓應(yīng)用施加到隔離器件的控制端子的步驟進(jìn)一步包括將低于閾值電壓的電壓施加到FET的柵極的步驟。
29.權(quán)利要求21的方法，其中兩端子半導(dǎo)體器件包括柵二極管，該柵二極管包括在柵極和阱之間形成的絕緣體、與絕緣體和柵極的一側(cè)鄰接并重疊的源極擴(kuò)散區(qū)和與絕緣體和柵極的另一側(cè)鄰接的淺溝槽隔離區(qū)，其中第二端子耦合到源極擴(kuò)散區(qū)，第一端子耦合到柵極。
30.權(quán)利要求21的方法，其中兩端子半導(dǎo)體器件包括柵二極管，該柵二極管包括在柵極和阱之間形成的絕緣體、與絕緣體和柵極的一側(cè)鄰接并重疊的源極擴(kuò)散區(qū)、與絕緣體和柵極的另一側(cè)鄰接并重疊的“漏極”擴(kuò)散區(qū)、以及電耦合源極區(qū)和“漏極”區(qū)的耦合，其中第二端子耦合到源極擴(kuò)散區(qū)，第一端子耦合到柵極。
31.權(quán)利要求21的方法，其中兩端子半導(dǎo)體器件包括柵二極管。
32.權(quán)利要求31的方法，其中柵二極管進(jìn)一步包括n-型柵二極管，其中閾值電壓是正電壓，以及其中改變控制線上的電壓的步驟包括將電壓自大約地電壓升高到預(yù)定的正電壓的步驟。
33.權(quán)利要求31的方法，其中柵二極管進(jìn)一步包括p-型柵二極管，其中閾值電壓是負(fù)電壓，以及其中改變控制線上的電壓的步驟包括將電壓自大約電源電壓降低到預(yù)定的正電壓的步驟。
34.權(quán)利要求33的方法，其中預(yù)定的正電壓在地電壓和電源電壓之間。
35.權(quán)利要求21的方法，其中該方法進(jìn)一步包括確定對(duì)應(yīng)于該信號(hào)的輸出的步驟。
36.權(quán)利要求24的方法，進(jìn)一步包括至少使用參考電壓和控制電壓產(chǎn)生控制電壓的步驟。
37.權(quán)利要求36的方法，其中產(chǎn)生控制電壓的步驟進(jìn)一步包括使用下列一個(gè)或多個(gè)產(chǎn)生參考電壓的步驟地電壓；電源電壓；信號(hào)；閾值電壓；一個(gè)或多個(gè)附加的閾值電壓；一個(gè)或多個(gè)溫度信號(hào)；和控制電壓。
38.一種半導(dǎo)體器件，包括柵極；具有第一導(dǎo)電類型的阱；形成在柵極和阱之間的絕緣體；與絕緣體和柵極的一側(cè)鄰接并重疊的第二導(dǎo)電類型的源極擴(kuò)散區(qū)；和與絕緣體和柵極的另一側(cè)鄰接的隔離區(qū)。
39.權(quán)利要求38所述的半導(dǎo)體器件，其中第一導(dǎo)電類型包括n-型導(dǎo)電，第二導(dǎo)電包括p-型導(dǎo)電。
40.權(quán)利要求38所述的半導(dǎo)體器件，其中第一導(dǎo)電類型包括p-型導(dǎo)電，第二導(dǎo)電包括n-型導(dǎo)電。
41.權(quán)利要求38所述的半導(dǎo)體器件，其中阱形成在襯底中。
42.權(quán)利要求38所述的半導(dǎo)體器件，其中阱形成在絕緣體上形成的層中。
全文摘要
一種電路包括控制線和具有第一和第二端子的兩端子半導(dǎo)體器件。第一端子耦合到信號(hào)線，第二端子耦合到控制線。在第一端子上相對(duì)于第二端子的電壓在預(yù)定的電壓之上時(shí)兩端子半導(dǎo)體器件適合于具有一電容，而在第一端子上相對(duì)于第二端子的電壓在預(yù)定的電壓之下時(shí)具有一更小的電容?？刂凭€耦合到控制信號(hào)和信號(hào)線耦合到信號(hào)并是電路的輸出。信號(hào)置于信號(hào)線并且在控制線上的電壓被改變(例如在n－型器件情況下上升，在p－型器件的情況下降低)。在信號(hào)降低到閾值電壓之下時(shí)，兩端子半導(dǎo)體器件用作非常小的電容器并且電路的輸出將是非常小的值。在信號(hào)在閾值電壓之上時(shí)，兩端子半導(dǎo)體器件用作較大的電容器并且電路的輸出受信號(hào)的值和在控制線上的改變的電壓的值兩者的影響，因此信號(hào)被放大。
文檔編號(hào)H03F1/56GK1649150SQ20041001147
公開日2005年8月3日 申請(qǐng)日期2004年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月5日
發(fā)明者溫格·K·魯克, 羅伯特·H·丹納德 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司