基于双极型场效应晶体管的阈值反相器制造技术

本申请提出一种基于双极型场效应晶体管的阈值反相器，其中，阈值反相器包括：第一匀质反相器至第N匀质反相器，其中，第一匀质反相器至第N匀质反相器的第一端均连接输入电压，第N

【技术实现步骤摘要】
基于双极型场效应晶体管的阈值反相器


[0001]本申请涉及半导体
，特别涉及一种基于双极型场效应晶体管的阈值反相器。

技术介绍

[0002]阈值反相器量化(Treshold Inverter Quantization，TIQ)技术，在诸如Flash ADC这样的应用场合起到低功耗快速比较电压的重要作用。早期Flash ADC使用最基本的电阻分压网络产生码元边界，然后经过比较器将各数字输出点与输入电压并行比较，产生数字数字码。这一过程电阻网络始终会有到信号地的电流产生热功耗，且每个输出端口都需要配备一个比较器，电路结构较复杂。有研究者提出利用CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)反相器极低的静态功耗和超高的电压传输增益，以其为基础组成TIQ阵列代替原先的电阻分压网络和比较器，反相器的输出直接参与后续的译码，省去了比较器，降低电路结构复杂性；并且由于完全省去了无源电阻网络，避免了直接到信号地的泄露电流，因此具有低功耗的优点；低维半导体材料研究的兴起带动了对其在传统CMOS逻辑领域应用的研究。这些材料(包括碳纳米管、二硫化钼，及其他二维材料)普遍被认为能具有较高的载流子迁移率，和较强的静电调控能力，代表着未来信息处理器件演化的方向。因此也有研究者研究用新兴的低维半导体材料来实现TIQ阵列。
[0003]现有设计无论是基于传统体硅材料还是基于新兴的低维半导体材料，所指的TIQ的拓扑结构都是类似的，都需要设计一系列分立的、阈值电压匹配的CMOS反相器阵列。由于CMOS反相器的阈值电压设计需要P管和N管进行匹配，而低维半导体材料尚无十分成熟的生长与掺杂工艺，使得这一器件匹配要求在低维材料中实施难度大，影响了低维材料的优势发挥。

技术实现思路

[0004]本申请提供一种基于双极型场效应晶体管的阈值反相器，负责实现器件阈值电压匹配的设计参数完全由双极型场效应晶体管的沟长参数承担，不再需要涉及不同掺杂类型晶体管之间的匹配，设计简单，可以应用到诸如闪烁型模数转换器(Flash ADC)等场合。
[0005]本申请提供一种基于双极型场效应晶体管的阈值反相器，包括：第一匀质反相器至第N匀质反相器，其中，所述第一匀质反相器至第N匀质反相器的第一端均连接输入电压，第N
‑
1匀质反相器的第二端连接所述第N匀质反相器的第三端，并输出所述第N
‑
1匀质反相器的输出电压，所述第N匀质反相器的第二端连接第一供电电压，所述第一匀质反相器的第三端连接第二供电电压。
[0006]可选地，所述匀质反相器由双极型场效应晶体管构成。
[0007]可选地，所述第一匀质反相器至第N匀质反相器的跳变阈值电压由匀质反相器中上拉与下拉网络的比例控制。
[0008]可选地，所述匀质反相器中上拉与下拉网络的比例通过所述双极型场效应晶体管
中的沟道参数确定，其中，所述沟道参数包括沟道长度或双极型场效应晶体管宽度。
[0009]可选地，所述双极型场效应晶体管的器件结构包括背栅结构和顶栅结构。
[0010]可选地，所述双极型场效应晶体管的转移特性曲线中栅源电压V
GS
为负值时，漏源电流I
ds
随栅源电压V
GS
的增大而减小，栅源电压V
GS
为正值时，漏源电流I
ds
随栅源电压V
GS
的增大而增大，且转移特性曲线随着漏源电压V
DS
增大而增大。
[0011]可选地，通过所述阈值反相器通过不同沟长的双极型场效应晶体管输出不同的跳变阈值电压。
[0012]本申请的基于双极型场效应晶体管的阈值反相器，通过将由双极型场效应晶体管构成的第一匀质反相器至第N匀质反相器串联构成阈值反相器，晶体管的数目可减少一半，电路结构更简单，并且由于串联结构，晶体管匹配完全由沟道长度，即电极距离控制，因此也更容易实现，可以应用到诸如闪烁型模数转换器(Flash ADC)等场合。
[0013]本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
[0014]本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0015]图1为根据本申请实施例提供的一种基于双极型场效应晶体管的阈值反相器结构示意图；
[0016]图2为根据本申请实施例提供的双极型场效应晶体管转移特性曲线示意图；
[0017]图3为根据本申请实施例提供的一种双极型场效应晶体管结构示意图；
[0018]图4为根据本申请实施例提供的另一种双极型场效应晶体管结构示意图；
[0019]图5为根据本申请实施例提供的双极型场效应晶体管电路符号示意图；
[0020]图6为根据本申请实施例提供的两个双极型场效应晶体管串联结构示意图；
[0021]图7为根据本申请实施例提供的两个双极型场效应晶体管串联后的电压传输曲线示意图；
[0022]图8为根据本申请实施例提供的两个双极型场效应晶体管串联后的等效连接示意图；
[0023]图9为根据本申请实施例提供的四个双极型场效应晶体管串联结构示意图；
[0024]图10为根据本申请实施例提供的四个双极型场效应晶体管串联结构的仿真结果示意图；
[0025]图11为根据本申请实施例提供的以背栅双极型场效应晶体管为基础的N输出阈值反相器的整体结构图；
[0026]图12为根据本申请实施例提供的一种基于双极型场效应晶体管的阈值反相器的量化方法的流程图。
具体实施方式
[0027]下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附
图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
[0028]具体而言，图1为根据本申请实施例提供的一种基于双极型场效应晶体管的阈值反相器结构示意图。
[0029]如图1所示，该基于双极型场效应晶体管的阈值反相器10包括：第一匀质反相器100至第N匀质反相器200。
[0030]第一匀质反相器至第N匀质反相器的第一端1均连接输入电压Vin，第N
‑
1匀质反相器的第二端2连接第N匀质反相器的第三端3，并输出第N
‑
1匀质反相器的输出电压VoutN
‑
1，第N匀质反相器的第二端2连接第一供电电压VDD，第一匀质反相器的第三端3连接第二供电电压VSS。
[0031]可选地，匀质反相器由双极型场效应晶体管构成。
[0032]可以理解的是，本申请涉及一种基于双极型晶体管(Ambipolar
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Field
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Effect
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双极型场效应晶体管的阈值反相器，其特征在于，包括：第一匀质反相器至第N匀质反相器，其中，所述第一匀质反相器至第N匀质反相器的第一端均连接输入电压，第N
‑
1匀质反相器的第二端连接所述第N匀质反相器的第三端，并输出所述第N
‑
1匀质反相器的输出电压，所述第N匀质反相器的第二端连接第一供电电压，所述第一匀质反相器的第三端连接第二供电电压。2.根据权利要求1所述的基于双极型场效应晶体管的阈值反相器，其特征在于，所述匀质反相器由双极型场效应晶体管构成。3.根据权利要求1所述的基于双极型场效应晶体管的阈值反相器，其特征在于，所述第一匀质反相器至第N匀质反相器的跳变阈值电压由匀质反相器中上拉与下拉网络的比例控制。4.根据权利要求2所述的基于双极型场效应晶体管的阈值反相器，其特征在于，所述匀质反相器中上拉与下拉网络的比例通过所述双极型场效应晶体管中的沟道参数确定，其中，所述沟道参数包...

【专利技术属性】
技术研发人员：任天令，鄢诏译，田禾，杨轶，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：新型
国别省市：