CN103534598A - 用于具有可移动的栅极结构的场效应晶体管的分析处理电路 - Google Patents

用于具有可移动的栅极结构的场效应晶体管的分析处理电路 Download PDF

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CN103534598A CN201280022279.2A CN201280022279A CN103534598A CN 103534598 A CN103534598 A CN 103534598A CN 201280022279 A CN201280022279 A CN 201280022279A CN 103534598 A CN103534598 A CN 103534598A
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Abstract

本发明涉及一种用于具有可移动的栅极结构的场效应晶体管（11）的分析处理电路（1），所述分析处理电路具有测量电路（12），所述测量电路耦合在所述分析处理电路（1）的供电电压端子（VDD）和所述场效应晶体管（11）的漏极端子之间，并且所述测量电路被设计用于在测量端子（Iout）处输出测量信号，所述测量信号与流过所述场效应晶体管（11）的电流的电流强度有关。

Description

用于具有可移动的栅极结构的场效应晶体管的分析处理电路
技术领域
本发明涉及一种用于具有可移动的栅极结构的场效应晶体管、尤其是用于用作微机械传感器的场效应晶体管的分析处理电路。
背景技术
具有可移动的栅极结构的场效应晶体管、即所谓的“移动栅极（Moving Gate）”FET适合用于探测小移动。它们一般具有很好的信噪比并且因此例如可以用作惯性传感系统领域中的微型化传感器核中的加速度传感器。
具有可移动的栅极结构的场效应晶体管具有衬底，在该衬底中在漏极区和源极区之间引入n掺杂的或p掺杂的沟道。在沟道区上方施加绝缘层，在该绝缘层上方又布置栅极结构。栅极结构在此以可移动的方式构成，也即，作用于栅极结构的外力可以使栅极结构在与衬底表面垂直的方向上和/或在衬底表面的平面中的方向上偏转。通过该偏转，在栅极结构上施加栅极电压的情况下，沟道区中的载流子密度变化，这又导致漏极区和源极区之间的电阻变化。可以测量该电阻变化，其方式是，要么对栅极结构施加恒定的栅极电压，使漏极-源极电压保持恒定，并且测量流过场效应晶体管的电流或通过偏转引起的电流强度变化，要么将恒定的电流注入场效应晶体管中并且测量由于偏转引起的漏极-源极电压变化。
出版物US 2002/0005530 A1公开一种具有在平面的衬底上方的灵活安置的栅极电极的场效应晶体管，其中该场效应晶体管的加速度导致栅极电极相对于衬底偏转，由此可测量场效应晶体管的沟道区中电流强度的变化。
出版物EP 0 990 911 A1公开一种基于具有可移动的栅极的场效应晶体管的微机械传感器，该可移动的栅极的偏转引起场效应晶体管的由该栅极重叠的沟道区的变动。
出版物WO 2010/1244889 A2公开一种用于具有可移动的栅极的场效应晶体管的分析处理电路，该场效应晶体管与参考晶体管串联连接。在两个场效应晶体管之间的中间节点处可以量取可移动的栅极的非线性测量信号。
发明内容
因此，本发明提供一种用于具有可移动的栅极结构的晶体管的分析处理电路，所述分析处理电路具有测量电路，所述测量电路耦合在分析处理电路的供电电压端子和晶体管的漏极端子之间，并且所述测量电路被设计用于在测量端子上输出测量信号，所述测量信号与流过晶体管的电流的电流强度有关。
根据另一种实施方式，本发明提供一种具有场效应晶体管和根据本发明的分析处理电路的微机械传感器、尤其是加速度传感器，所述场效应晶体管具有可移动的栅极结构，所述场效应晶体管具有源极端子、漏极端子和栅极端子，所述源极端子与参考电势耦合，在所述栅极端子上施加恒定的栅极电压，所述根据本发明的分析处理电路与场效应晶体管的漏极端子耦合并且被设计用于在测量端子处输出第一测量信号，所述第一测量信号与流过场效应晶体管的电流的电流强度有关。
本发明的基本思想是，说明一种用于具有可移动的栅极的场效应晶体管的分析处理电路，其中，一方面，不再必须一起放大高多个数量级的（um Größenordnungen höhere）基本电流，并且另一方面，增大场效应晶体管的微分输出电阻。两个效应有助于分析处理电路的测量信号的信噪比的显著增大，由此，仅仅还须根据较小的动态范围设计分析处理电路。
在场效应晶体管的绝缘层上可以积聚表面电荷，通过所述表面电荷附加地影响沟道区中的载流子密度。可以有利地利用该分析处理电路排除根据栅极结构的偏转可变的载流子密度的失真，对于已经在制造具有可移动的栅极结构的各个场效应晶体管期间或即使在场效应晶体管的寿命和使用持续时间期间可能出现的表面电荷也如此。此外，可以根据周围环境温度或其他的周围环境参数，通过根据本发明的分析处理电路来均衡表面电荷的波动。
利用这种分析处理电路可能的是，使场效应晶体管的工作点的泄漏最小化。虽然基本电流的由表面电荷决定的波动可能处于微安范围中，而待测量的电流强度变化在皮安至纳安范围中移动，但因为在分析处理电路中可以有效地防止与实际测量信号相比很高的偏移电流的出现，所以可以有利地根据有限的动态范围设计分析处理电路。由此，使实际测量信号放大到所期望的约60至80dB的信号电平显著变得容易，因为不必一起放大可能很容易导致分析处理电路过载（Übersteuern）的偏移电流。
在一种优选的实施方式中，分析处理电路具有带有参考电压端子的阻抗变换电路，所述阻抗变换电路耦合在测量电路和场效应晶体管的漏极端子之间并且被设计用于，使场效应晶体管的漏极端子保持在施加在参考电压端子上的参考电压的电势上。这可以优选通过源极跟随器晶体管（Sourcefolgertransistor）和运算放大器实现，所述源极跟随器晶体管耦合在测量电路和场效应晶体管的漏极端子之间。由此，产生以下优点：场效应晶体管的源极-漏极电压被保持恒定并且由此场效应晶体管的有效微分输出电阻增大。因此，尤其在线性测量区域中可以实现信号位移（Signalhub）的显著上升。此外，有利地可以通过参考电压的变动从输出电流的变化推断出场效应晶体管的灵敏度。
在一种优选的实施方式中，分析处理电路具有带有偏移信号馈入端子的偏移校正电路，所述偏移校正电路耦合在供电电压端子和场效应晶体管的漏极端子之间，并且被设计用于通过在偏移信号馈入端子上馈入的偏移校正信号来补偿出现在场效应晶体管的漏极端子处的基本电流。这有利地通过具有很高的输出电阻——例如电流镜像电路或共射-共基放大电路的电流源电路实现，所述电流镜像电路或共射-共基放大电路具有两个输入端子、第一输出端子和第二输出端子，所述两个输入端子分别与供电电压端子连接，所述第一输出端子与场效应晶体管的漏极端子耦合，所述第二输出端子与偏移信号馈入端子耦合。这提供以下优点：可以显著更好地放大实际测量信号，而不必一起放大基本电流。由此分析处理电路的动态范围变得与基本电流无关。尤其是不再必须通过分析处理电路一起放大场效应晶体管的沟道区中通过波动的表面电荷引起的变动，由此不再出现分析处理电路的过载。
附图说明
本发明的实施方式的其他特征和优点从以下参考附图的描述中得出。
图1至5示出根据本发明的实施方式的、用于具有可移动的栅极结构的场效应晶体管的分析处理电路的示意图；
图6示出根据本发明的另一种实施方式的、用于具有可移动的栅极结构的两个场效应晶体管的伪微分分析处理电路的示意图；
图7示出根据本发明的另一种实施方式的、用于具有可移动的栅极结构的两个场效应晶体管的全微分分析处理电路的示意图；
图8至11示出根据本发明的另一种实施方式的、用于具有可移动的栅极结构的场效应晶体管的分析处理电路的示意图；
图12示出根据本发明的另一种实施方式的、用于具有可移动的栅极结构的两个场效应晶体管的伪微分分析处理电路的示意图；以及
图13示出根据本发明的另一种实施方式的、用于具有可移动的栅极结构的两个场效应晶体管的全微分分析处理电路的示意图。
具体实施方式
图1示出用于具有可移动的栅极结构的场效应晶体管（FET）11的分析处理电路1的示意图。FET 11可以是例如n沟道MOSFET。FET 11具有源极端子，所述源极端子与参考电势VSS——例如接地电势连接。FET 11还具有栅极端子，可以在所述栅极端子上施加栅极电压VCDS。栅极电压VCDS在此可以例如是恒定的电压。此外，FET 11具有漏极端子，所述漏极端子与测量电路12耦合。对于技术人员清楚的是，同样可以使用p沟道MOSFET用于FET 11，其中所述源极端子和漏极端子相应地接线。此外，也可以为FET 11设置（未示出的）体端子（Bulkanschluss），以便抵抗FET 11的沟道区中的由制造决定的泄漏。
测量电路12被设计用于，测量并且在信号输出端处提供流过FET 11的沟道区的电流的电流强度。示例性地，测量电路12包括由两个晶体管12a和12b组成的电流镜像电路，所述两个晶体管分别通过其输入端子与分析处理电路1的供电电压端子VDD耦合。晶体管12a的输出端子与FET 11的漏极端子耦合。晶体管12b的输出端子与测量电路12的信号输出端耦合。流过FET 11的沟道区的电流强度流过电流镜像电路的晶体管12a。电流镜像电路将流过晶体管12a的电流镜像（spiegeln）到晶体管12b上，从而在测量电路12的信号输出端处输出电流强度信号Iout，所述电流强度信号与流过FET 11的电流的电流强度成比例。在此，可以相应地对晶体管12a和12b确定尺寸，使得电流强度信号Iout是流过FET 11的电流的电流强度的多倍，例如1至10000倍。在优选的变型方案中，放大因数可以是10至1000。电流镜像电路的放大率在此是第一级上的电流强度信号Iout的放大率，并且显然，可以在处理的其他级中进一步放大电流强度信号Iout。
图2示出用于具有可移动的栅极结构的场效应晶体管（FET）11的分析处理电路10的示意图。分析处理电路10包括FET 11、具有测量端子Sout的测量电路12和具有参考电压端子Vref的阻抗变换电路13，所述阻抗变换电路被设计用于，增大FET 11的微分输出阻抗。在图3至5中示出在图2中示出的分析处理电路10的示例性的实施方式。
图3示出具有可移动的栅极结构的场效应晶体管（FET）11的分析处理电路10'的示意图。分析处理电路10'通过以下方面区别于分析处理电路1：阻抗变换电路13耦合在FET 11的漏极端子13c和测量电路12之间。阻抗变换电路13可以包括例如源极跟随器晶体管13a，所述源极跟随器晶体管耦合在FET 11的漏极端子13c和测量电路12之间。此外，阻抗变换电路13可以包括运算放大器13b，所述运算放大器具有输出端子、反相输入端子和非反相输入端子，所述输出端子与源极跟随器晶体管13a的栅极端子耦合，所述反相输入端子与场效应晶体管11的漏极端子13c耦合，所述非反相输入端子与参考电压端子Vref耦合。运算放大器13b借助源极跟随器晶体管13a使FET 11的漏极端子13c保持在恒定的电势上，所述恒定的电势通过参考电压端子Vref处的优选恒定的参考电压确定。源极跟随器晶体管13a在图3中示为n沟道MOSFET。然而，清楚的是，p沟道MOSFET同样可以用作源极跟随器晶体管13a。该源极跟随器晶体管于是如可变电阻那样起作用。
图4示出具有可移动的栅极结构的场效应晶体管（FET）11的分析处理电路10"的示意图。分析处理电路10"通过以下方面区别于分析处理电路10'：测量电路12包括分流电阻12c，在所述分流电阻处可以量取电压信号Vout，所述电压信号与流过分流电阻12c的电流的电流强度有关。
图5示出具有可移动的栅极结构的场效应晶体管（FET）11的分析处理电路10"'的示意图。分析处理电路10"'通过以下方面区别于分析处理电路10"：测量电路12包括由四个晶体管12a、12b、12d和12e组成的共射-共基放大电路（Kaskodenschaltung）。共射-共基放大电路在此可以是如在图1中所示的两个电流镜像电路的串联接线。通过使用共射-共基放大电路，可以相对于简单的电流镜像电路改善测量信号的线性和分析处理电路的放大率。替代地，取代共射-共基放大电路，也可以使用有源电流镜像电路用于测量电路12。
图6示出用于分别具有可移动的栅极结构的两个场效应晶体管（FET）11和21的分析处理电路20的示意图。分析处理电路20是由如在图3中所示的和阐述的两个分析处理电路10'组成的伪微分分析处理电路。在此，一个分析处理路径的以参考标记23和22表示的测量电路或阻抗变换电路对应于另一个分析处理电路的以参考标记13和12表示的测量电路或阻抗变换电路。在此，可以如此布置FET 11和21的可移动的栅极结构，使得可移动的栅极结构在外力——例如外部加速度的影响下反向移动，从而可以抑制例如通过供电电压引起的同相干扰信号（Gleichtaktstörsignale）。在此，可以在测量电路12和22的两个输出端子处读取电流强度信号Ioutp或Ioutn，所述电流强度信号的差可以对应于测量信号。通过分析处理电路20的伪微分设计，可以简化测量信号的数字化并且可以确定和均衡例如通过由于老化影响和/或温度影响引起的在FET 11和21的沟道区中的表面电荷变化引起的基本电流变化，因为这种影响仅仅反映在同相信号中并且因此可以与微分测量信号相区分。
图7示出用于具有可移动的栅极结构的两个场效应晶体管（FET）11和21的全微分分析处理电路30的示意图。晶体管34用作恒定电流源并且利用源极端子与参考电势VSS连接并且通过第一偏压Vb1在其栅极端子处被供应。晶体管34也可以被实施为共射-共基放大电路。在偏压晶体管34的漏极端子上耦合FET 11和21的源极端子，所述FET在其栅极端子处被供给栅极电压VCDS。FET 11和21的漏极端子13c、23c与阻抗变换电路13或23耦合，所述阻抗变换电路可以与图6中的阻抗变换电路13和23相似地构建。此外，运算放大器13b和23b可以具有其他输入端子，所述其他输入端子与偏压晶体管34的漏极端子耦合。阻抗变换电路13和23分别与测量电路32的晶体管32a或32b连接，所述测量电路的晶体管在其侧与分析处理电路30的供电电压端子VDD耦合。晶体管32a和32b通过栅极端子分别被供给第二偏压Vb2。在测量电路32的两个测量端子处可以量取两个电压信号Voutp和Voutn，所述两个电压信号提供微分测量信号，所述微分测量信号与流过FET 11或21的沟道区的电流的通过FET 11或21的可移动的栅极结构的偏转引起的电流强度变化有关。
借助全微分分析处理电路30可以有效地抑制同相干扰。不言而喻，图1至5中的测量电路12以及阻抗变换电路13的示例性构型同样可以用在图6和7的微分分析处理电路中。
图8示出用于具有可移动的栅极结构的场效应晶体管（FET）11的分析处理电路40的示意图。分析处理电路40包括FET 11、具有测量端子Sout的测量电路12和具有偏移信号馈入端子Soff的偏移校正电路42，所述偏移校正电路被设计用于，在FET 11的漏极端子43处引开（abfuehren）流过FET 11的沟道区的基本电流。流过FET 11的漏极端子的电流由基本电流和测量电流组成。基本电流是与可移动的栅极结构的偏转无关地流过FET 11的沟道区的这种电流。基本电流的电流强度例如可以位于几微安的范围中。而测量电流是通过可移动的栅极结构的移动引起的并且对于测量电路12中的测量信号的形成感兴趣的这种分量。通过在FET 11的漏极端子43处通过偏移校正电路42排出基本电流或注入消除基本电流的反向电流，测量电路12仅仅还被供给测量电流，使得可以具有在皮安至纳安的范围中的电流强度的测量电流的放大率可以被选择得显著更高，而分析处理电路40不过载。此外，由此可以显著改善测量电路12的信噪比。在图9至11中，示出在图8中所示的分析处理电路40的示例性实施方式。
图9示出用于具有可移动的栅极结构的场效应晶体管（FET）11的分析处理电路40'的示意图。分析处理电路40'通过以下方面区别于分析处理电路1：偏移校正电路42耦合在FET 11的漏极端子43和测量电路12之间。偏移校正电路42例如可以具有由两个晶体管42a和42b组成的电流镜像电路，通过所述电流镜像电路可以将偏移校正电流Ioff注入FET 11的漏极端子43中。优选可以如此选择偏移校正电流Ioff，使得它恰好消除流过FET 11的沟道区的基本电流。
图10示出用于具有可移动的栅极结构的场效应晶体管（FET）11的分析处理电路40"的示意图。分析处理电路40"通过以下方面区别于分析处理电路40'：测量电路12包括分流电阻12c，在所述分流电阻处可以量取电压信号Vout，所述电压信号与流过分流电阻12c的电流的电流强度有关。此外，偏移校正电路42包括p沟道MOSFET 42c，所述p沟道MOSFET可以在栅极端子处被供给可变的偏移电压Voff。
图11示出用于具有可移动的栅极结构的场效应晶体管（FET）11的分析处理电路40"'的示意图。分析处理电路40"'通过以下方面区别于分析处理电路40'：测量电路12和偏移校正电路42分别包括由四个晶体管12a、12b、12d和12e或42a、42b、42d和42e组成的共射-共基放大电路。共射-共基放大电路在此可以是如图1或图9中所示的两个电流镜像电路的串联接线。通过使用共射-共基放大电路，可以相对于简单的电流镜像电路改善测量信号的线性和分析处理电路的放大率。替代地，取代共射-共基放大电路，也可以使用有源电流镜像电路用于测量电路12或偏移校正电路42。
图12示出用于分别具有可移动的栅极结构的两个场效应晶体管（FET）11和21的分析处理电路50的示意图。分析处理电路50是由如在图9中所示的和阐述的两个分析处理电路40'组成的伪微分分析处理电路。在此，一个分析处理路径的以参考标记22和52表示的测量电路或偏移校正电路对应于另一个分析处理电路的以参考标记12和42表示的测量电路或偏移校正电路。在此可以彼此无关地以两个偏移校正电流信号Ioffp和Ioffn加载偏移校正电路42和52，以便可以均衡FET 11和21中的由工艺决定的泄漏。在此，可以如此布置FET 11和21的可移动的栅极结构，使得可移动的栅极结构在外力——例如外部加速度的影响下反向移动，使得可以抑制例如通过供电电压引起的同相干扰信号。在此，可以在测量电路12和22的两个输出端子处读取电流强度信号Ioutp或Ioutn，所述电流强度信号的差可以对应于测量信号。通过分析处理电路50的伪微分设计，可以简化测量信号的数字化，并且可以确定和均衡例如通过由于老化影响和/或温度影响引起的在FET 11和21的沟道区中的表面电荷变化引起的基本电流变化，因为这种影响仅仅反映在同相信号中并且因此可以与微分测量信号相区分。
图13示出用于具有可移动的栅极结构的两个场效应晶体管（FET）11和21的全微分分析处理电路60的示意图。测量电路32以及偏压晶体管34在此对应于分析处理电路30的在图7中所示的部件，而偏移校正电路42和52对应于图12中的相应的偏移校正电路。
借助全微分分析处理电路60可以有效抑制同相干扰。不言而喻，图1至11中的测量电路12以及偏移校正电路42的示例性构型同样可以用在图12和13的微分分析处理电路中。
在图1至13中所示的分析处理电路可以分别与相应的FET一起用在微机械传感器中，例如用在加速度传感器、转速传感器、压力传感器或类似的传感器中。

Claims (10)

1.用于具有可移动的栅极结构的场效应晶体管（11）的分析处理电路（1；10；40），具有：
测量电路（12），所述测量电路耦合在所述分析处理电路（1；10；40）的供电电压端子（VDD）和所述场效应晶体管（11）的漏极端子之间，并且所述测量电路被设计用于在测量端子（Sout）处输出测量信号（Iout；Vout），所述测量信号与流过所述场效应晶体管（11）的电流的电流强度有关。
2.根据权利要求1所述的分析处理电路（1；10；40），其中所述测量电路（12）包括电流镜像电路，所述电流镜像电路具有两个输入端子、第一输出端子和第二输出端子，所述两个输入端子分别与所述供电电压端子（VDD）连接，所述第一输出端子与所述场效应晶体管（11）的所述漏极端子耦合，所述第二输出端子与所述测量端子（Sout）耦合。
3.根据权利要求1所述的分析处理电路（1；10；40），其中所述测量电路（12）具有分流电阻（12c），并且其中所述测量信号包括经由所述分流电阻（12c）下降的电压（Vout）。
4.根据权利要求1所述的分析处理电路（1；10；40），其中所述测量电路（12）包括共射-共基放大电路，所述共射-共基放大电路具有两个输入端子、第一输出端子和第二输出端子，所述两个输入端子分别与所述供电电压端子（VDD）连接，所述第一输出端子与所述场效应晶体管（11）的所述漏极端子连接，所述第二输出端子与所述测量端子（Sout）耦合。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的分析处理电路（10），此外具有：阻抗变换电路（13），所述阻抗变换电路具有参考电压端子（Vref），所述阻抗变换电路耦合在所述测量电路（12）和所述场效应晶体管（11）的漏极端子（13c）之间，并且所述阻抗变换电路被设计用于，使所述场效应晶体管（11）的所述漏极端子（13c）保持在施加在所述参考电压端子（Vref）上的参考电压的电势上。
6.根据权利要求5所述的分析处理电路（10），其中所述阻抗变换电路（13）具有：
源极跟随器晶体管（13a），所述源极跟随器晶体管耦合在所述测量电路（12）和所述场效应晶体管（11）的漏极端子（13c）之间；以及
运算放大器（13b），所述运算放大器具有输出端子、反相输入端子和非反相输入端子，所述输出端子与所述源极跟随器晶体管（13a）的栅极端子耦合，所述反相输入端子与所述场效应晶体管（11）的所述漏极端子（13c）耦合，所述非反相输入端子与所述参考电压端子（Vref）耦合。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的分析处理电路（10），此外具有：偏移校正电路（42），所述偏移校正电路具有偏移信号馈入端子（Soff），所述偏移校正电路耦合在所述供电电压端子（VDD）和所述场效应晶体管（11）的所述漏极端子（43）之间，并且所述偏移校正电路被设计用于通过在所述偏移信号馈入端子（Soff）处馈入的偏移校正信号来补偿出现在所述场效应晶体管（11）的所述漏极端子（43）处的基本电流。
8.根据权利要求7所述的分析处理电路（40），其中所述偏移校正电路（42）包括电流镜像电路或共射-共基放大电路，所述电流镜像电路或共射-共基放大电路具有两个输入端子、第一输出端子和第二输出端子，所述两个输入端子分别与所述供电电压端子（VDD）连接，所述第一输出端子与所述场效应晶体管（11）的所述漏极端子（43）耦合，所述第二输出端子与所述偏移信号馈入端子（Soff）耦合。
9.微机械传感器，具有：
第一场效应晶体管（11），所述第一场效应晶体管具有可移动的栅极结构，所述第一场效应晶体管具有源极端子、漏极端子（13c；43）和栅极端子，所述源极端子与参考电势（VSS）耦合，在所述栅极端子上施加恒定的栅极电压（VCDS）；以及
根据权利要求1至8中任一项所述的第一分析处理电路，所述第一分析处理电路与所述第一场效应晶体管（11）的所述漏极端子（13c；43）耦合，并且所述第一分析处理电路被设计用于在所述测量端子（Sout）处输出第一测量信号，所述第一测量信号与流过所述第一场效应晶体管（11）的电流的电流强度有关。
10.根据权利要求9所述的微机械传感器，此外具有：
第二场效应晶体管（21），所述第二场效应晶体管具有可移动的栅极结构，所述第二场效应晶体管具有源极端子、漏极端子（23c；53）和栅极端子，所述源极端子与参考电势耦合，在所述栅极端子上施加恒定的栅极电压；以及
根据权利要求1至8中任一项所述的第二分析处理电路，所述第二分析处理电路与所述第二场效应晶体管（21）的所述漏极端子（23c；53）耦合，并且所述第二分析处理电路被设计用于在所述测量端子（Sout）处输出第二测量信号，所述第二测量信号与流过所述第二场效应晶体管（21）的电流的电流强度有关，
其中所述第一场效应晶体管（11）的可移动的栅极结构相对于所述第二场效应晶体管（21）的所述可移动的栅极结构在作用于所述微机械传感器的外力的影响下可反向移动。
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