CN105141259B - 硅基低漏电流固支梁场效应晶体管混频器 - Google Patents
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Abstract
本发明的硅基低漏电流固支梁场效应晶体管混频器，用两个固支梁栅NMOS管组成的差分对代替传统混频器中的常规NMOS差分对,用一个具有MEMS固支梁开关的NMOS管代替传统混频器中的位于差分对下方的常规NMOS管，减小混频器中晶体管的栅极漏电流，降低电路的功耗，且该混频器体积小易于集成，并且本发明的混频器中位于固支梁栅NMOS管差分对下方的固支梁开关NMOS管，如果只在其固支梁开关上加直流电压，那么在直流电压的作用下固支梁开关下拉接触到该NMOS管的栅极，并使该NMOS管导通，此时可以认为这个NMOS管是一个恒流源，那么此时该混频器就可以作为差分放大器使用，这样的设计能够使本发明利用同样数量的晶体管实现两种不同的功能。
Description
技术领域
本发明提出了硅基低漏电流固支梁MOSFET混频器，属于微电子机械系统的技术领域。
背景技术
随着集成电路设计行业的不断发展，各种有特殊用途的芯片和电路被设计出来，这些芯片和电路都能实现自己特定的功能。但是近年来，芯片电路的集成规模越来越大，芯片内晶体管的散热和静态功耗问题变得越来越严重，芯片内温度的改变会影响晶体管和集成电路工作的稳定性。伴随着移动终端迅猛发展，而电池技术的发展遇到了前所未有的瓶颈，所以降低芯片功耗和散热的问题就显得尤为重要。
模拟混频器电路是实现两个模拟量相乘的非线性电子器件，它以差分电路作为基础，能够有效抑制温度等外界因素变化对电路产生的影响，电路性能良好便于集成，模拟混频器是射频集成电路的重要组成部分，自然对降低其功耗的研究就显得十分有意义，MEMS技术的持续发展使制造具有可动固支梁栅和固支梁开关结构的晶体管成为现实，具有可动固支梁栅和固支梁开关结构的晶体管可以减小栅极漏电流，降低混频器电路的功耗。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种硅基低漏电流固支梁场效应晶体管混频器，用两个固支梁栅NMOS管组成的差分对代替传统混频器中的常规NMOS管差分对,用一个具有MEMS固支梁开关的NMOS管代替传统混频器中的位于差分对下方的常规NMOS管，以减小混频器中晶体管的栅极漏电流，降低电路的功耗。
技术方案：本发明的硅基低漏电流固支梁场效应晶体管混频器由两个具有固支梁栅的NMOS管即第一固支梁栅NMOS管、第二固支梁栅NMOS管和一个固支梁开关NMOS管组成，固支梁开关NMOS管是在传统NMOS管的栅极上制作一层二氧化硅层，然后再制作一个悬浮着的固支梁开关而成；第一固支梁栅NMOS管、第二固支梁栅NMOS管的源极相接组合为一个差分对，并共同与固支梁开关NMOS管的漏极连接在一起，固支梁开关NMOS管的源极是接地的，第一固支梁栅NMOS管、第二固支梁栅NMOS管的漏极分别与电阻相接，在这里电阻作为负载使用，两负载共同与电源电压相连接，本振信号υ LO在组成差分对的第一固支梁栅NMOS管、第二固支梁栅NMOS管的栅极之间输入，射频信号υ RF加载到固支梁开关NMOS管的固支梁开关上，输出信号通过一个中频滤波器选频输出所需要的信号υ IF；该混频器制作在P型硅衬底上，引线用铝制作，两个具有固支梁栅的NMOS管的栅极悬浮在栅氧化层的上方形成固支梁栅，固支梁栅的两个锚区用多晶硅制作在栅氧化层上，N+有源区形成源极和漏极，源极和漏极通过通孔与引线连接，下拉电极在固支梁栅下的部分被栅氧化层包裹；固支梁开关NMOS管的固支梁开关依靠锚区的支撑悬浮在固支梁开关NMOS管栅极之上，而该固支梁开关NMOS管栅极则直接制作在栅氧化层之上，在固支梁开关NMOS管的固支梁开关NMOS管栅极上还生长了一层二氧化硅层，其余结构均与第一固支梁栅NMOS管、第二固支梁栅NMOS管相同。
所述的第一固支梁栅NMOS管、第二固支梁栅NMOS管和固支梁开关NMOS管，将固支梁栅的下拉电压设计的与NMOS管的阈值电压相等，对于第一固支梁栅NMOS管、第二固支梁栅NMOS管，在固支梁栅与下拉电极之间加载的电压大于NMOS管的阈值电压时才能使固支梁栅下拉与栅氧化层接触，进而使该NMOS管导通，否则该NMOS管的栅极就一直处于悬浮的状态，NMOS管是关断的，降低电路的功耗；对于固支梁开关NMOS管，在固支梁开关与下拉电极之间加载的直流电压V2大于固支梁开关的下拉电压时才能使固支梁开关下拉，并与该固支梁开关NMOS管的栅极上的二氧化硅层相接触，否则该NMOS管4的固支梁开关就一直处于悬浮状态，要使固支梁开关NMOS管导通则需要另在其栅极上加载直流电压V1。
所述的第一固支梁栅NMOS管、第二固支梁栅NMOS管和固支梁开关NMOS管，其下拉电极都通过高频扼流圈接地，本振信号υ LO加载到差分对中的第一固支梁栅NMOS管、第二固支梁栅NMOS管的栅极之间，本振信号υ LO是混频器中输入的两种交流信号中的一种，本振信号电压足够高，当本振信号υ LO处于正半周期时使差分对中的第一固支梁栅NMOS管的固支梁栅下拉并且导通，第二固支梁栅NMOS管处于关断状态，其固支梁栅处于悬浮状态，当本振信号υ LO处于负半周期时两个NMOS管的开断情况则相反，这就使得差分对中的第一固支梁栅NMOS管、第二固支梁栅NMOS管随着本振信号υ LO处于一通一断交替变化的状态，也就是使该两个NMOS管的固支梁栅处于下拉或者悬浮交替的状态，当NMOS管处于关断态时其固支梁栅就处于悬浮状态，这就有效的降低了该差分放大器中的MOSFET的栅极漏电流；在具有固支梁开关的NMOS管的栅极上通过高频扼流圈加上足够大的直流电压V1，该直流电压V1使固支梁开关的NMOS管导通；另一个直流电压V2通过高频扼流圈加载到该NMOS管的固支梁开关上，以使固支梁开关能够下拉贴紧固支梁开关的NMOS管的栅极12上的二氧化硅层，该固支梁开关的NMOS管的栅极上的二氧化硅层相当于一个隔直流电容，能够阻断固支梁开关上所加的直流信号V2，保证固支梁开关上所加的交流信号仍然能够导通，而高频扼流圈的作用是防止输入交流信号通过固支梁开关的耦合作用对该固支梁开关的NMOS管上所加载的直流电压产生影响，在此基础上将射频信号υ RF经由固支梁开关加载到该NMOS管中，此射频信号是混频器中输入的两种交流信号中的另外一种；当两路交流信号都输入到该混频器电路以后，即可实现交流信号的混频，混频后的输出通过一个中频滤波器选出所需要的信号频率υ IF。
所述的固支梁开关NMOS管，如果只在该固支梁开关NMOS管的栅极上加直流电压V1，那么当直流电压V1大于NMOS管的阈值电压时，固支梁开关NMOS管导通，此时认为固支梁开关NMOS管是一个恒流源，此时该混频器就作为差分放大器使用，这样的设计能够使本发明利用同样数量的晶体管实现两种不同的功能。
有益效果：本发明的硅基低漏电流固支梁MOSFET混频器具有体积较小、易于集成的优点，应用了两种可以降低工作态时的栅极漏电流的新型的NMOS管，从而使得本发明中的固支梁MOSFET混频器的功耗得到有效的降低。
附图说明：
图1为本发明的硅基低漏电流固支梁MOSFET混频器的俯视图，
图2为图1硅基低漏电流固支梁MOSFET混频器的A-A'向的剖面图，
图3为图1硅基低漏电流固支梁MOSFET混频器的B-B'向的剖面图，
图4为图1硅基低漏电流固支梁MOSFET混频器的C-C'向的剖面图，
图5为图1硅基低漏电流固支梁MOSFET混频器的D-D'向的剖面图，
图6为图1硅基低漏电流固支梁MOSFET混频器的原理图，
图中包括：P型硅衬底1，第一固支梁栅NMOS管2、第二固支梁栅NMOS管3，固支梁开关NMOS管4，引线5，栅氧化层6，固支梁栅7，锚区8，N+有源区9，通孔10，下拉电极11，固支梁开关NMOS管栅极12，固支梁开关13，二氧化硅层14。
具体实施方式
本发明的硅基低漏电流固支梁MOSFET混频器是主要由两个具有固支梁栅的NMOS管即第一固支梁栅NMOS管2、第二固支梁栅NMOS管3和一个具有固支梁开关的NMOS管4组成，固支梁开关NMOS管4是在传统NMOS管的栅极上制作一层二氧化硅层14，然后再制作了一个悬浮着的固支梁开关13。该混频器制作在P型硅衬底1上，引线5用铝制作，两个固支梁栅NMOS管的栅极悬浮在栅氧化层6的上方形成固支梁栅7，固支梁栅7的两个锚区8用多晶硅制作在栅氧化层6上，N+有源区9形成源极和漏极，源极和漏极通过通孔10与引线5连接，下拉电极11在固支梁栅下的部分被在栅氧化层6包裹；固支梁开关NNMOS管4的固支梁开关13依靠锚区8的支撑悬浮在该NMOS管的栅极12上的二氧化硅层14之上，而其栅极12则直接制作在栅氧化层6之上，其余结构均与两个固支梁栅NMOS管相同。
该混频器在工作过程中，，第一固支梁栅NMOS管2、第二固支梁栅NMOS管3，固支梁开关NMOS管4的下拉电极通过高频扼流圈接地，本振信号加载到差分对中的，第一固支梁栅NMOS管2、第二固支梁栅NMOS管3的栅极7之间，本振信号是混频器中输入的两种交流信号中的一种，本振信号电压足够高，当本振信号处于正半周期时可以使差分对中的第一固支梁栅NMOS管2的固支梁栅7下拉并且导通，第二固支梁栅NMOS管3处于关断状态，其固支梁栅7处于悬浮状态，当本振信号处于负半周期时两个NMOS管的开断情况则相反，这就使得差分对中的第一固支梁栅NMOS管2、第二固支梁栅NMOS管3随着本振信号处于一通一断交替变化的状态，也就是使两个NMOS管的固支梁栅7处于下拉或者悬浮交替的状态，当NMOS管处于关断态时其固支梁栅就处于悬浮状态，这就有效的降低了该混频器中的MOSFET的栅极漏电流；在固支梁开关NMOS管4的栅极12上通过高频扼流圈加上足够大的直流电压V1，该直流电压V1可以使固支梁开关的NMOS管4导通，另一个直流电压V2通过高频扼流圈加载到该NMOS管的固支梁开关13上，以使固支梁开关13能够下拉贴紧该NMOS管4的栅极12上的二氧化硅层14，该固支梁开关的NMOS管4的栅极12上的二氧化硅层14相当于一个隔直流电容，能够阻断固支梁开关13上所加的直流信号V2，保证固支梁开关13上所加的交流信号仍然能够导通，而高频扼流圈的作用是可以防止输入交流信号通过固支梁开关的耦合作用对该固支梁开关的NMOS管4上所加载的直流电压产生影响，在此基础上将射频信号υ RF经由固支梁开关13加载到该NMOS管中，此射频信号是混频器中输入的两种交流信号中的另外一种；当两路交流信号都输入到该混频器电路以后，即可实现交流信号的混频，混频后的输出通过一个中频滤波器选出所需要的信号频率υ IF，
硅基低漏电流固支梁MOSFET混频器的制备方法包括以下几个步骤：
1)准备P型Si衬底1；
2)底氧生长，通过热氧化在平整的硅表面生长一层均匀的氧化层，作为缓冲层；
3)沉积氮化硅，然后光刻和刻蚀氮化硅层，保留有源区的氮化硅，场区的氮化硅去除；
4)场氧化，对硅片进行高温热氧化，在场区生长了所需的厚氧化层；
5)涂覆光刻胶，刻蚀需要制作栅极晶体管处的光刻胶；
6)在场氧化层上蒸Al，形成固支梁开关NMOS管的栅极12，去除光刻胶，清洗烘干，在栅极12上生长一层二氧化硅层14；
7)去除氮化硅和底氧层，采用干法刻蚀技术将硅片表面的的氮化硅和底氧全部去除。
8)在硅片上涂覆一层光刻胶，光刻和刻蚀光刻胶，去除需要制作固支梁电极板位置的光刻胶。然后淀积一层Al，去除光刻胶以及光刻胶上的Al，形成下拉电极10；
9)进行栅氧化，形成高质量的氧化层。
10)离子注入，调整NMOS的阈值电压；
11)利用CVD技术沉积多晶硅，光刻栅图形和多晶硅引线图形，通过干法刻蚀技术刻蚀多晶硅，保留输入引线和固支梁的锚区8位置的多晶硅。
12)通过旋涂方式形成PMGI牺牲层，然后光刻牺牲层，仅保留固支梁栅下方的牺牲层；
13)蒸发生长Al；
14)涂覆光刻胶，保留固支梁栅上方的光刻胶；
15)反刻Al，形成固支梁栅7和固支梁开关13；
16)涂覆光刻胶，光刻并刻蚀出磷的注入孔，注入磷，形成NMOS管的有源区9；
17)制作通孔10和引线5；
18)释放PMGI牺牲层，形成悬浮的固支梁栅7和固支梁开关13。
本发明与现有技术的区别
本发明的硅基低漏电流固支梁MOSFET混频器主要是由两个固支梁栅NMOS管和一个固支梁开关NMOS管组成，这两种新型的NMOS管具有较小的栅极漏电流，应用在本发明的混频器电路中可以使混频器的功耗降低，把固支梁栅的下拉电压设计得与NMOS管的阈值电压相等，固支梁栅的NMOS管的固支梁栅与下拉电极之间加载的电压大于NMOS管的阈值电压时，才能使固支梁栅下拉与二氧化硅层接触，进而使该NMOS管导通，否则该NMOS管的栅极就一直处于悬浮的状态，NMOS管是关断的，正是由于固支梁栅NMOS管具有这样的特性所以才能够减小NMOS管在工作时的栅极漏电流，降低该混频器电路的功耗；当固支梁开关NMOS管的固支梁开关与下拉电极之间加载的电压大于固支梁开关的下拉电压时，才能使固支梁开关下拉与该NMOS管的栅极上的二氧化硅层接触，否则该NMOS管的固支梁开关就一直处于悬浮状态，该NMOS管的导通则需要另在其栅极上加载直流电压。
本发明的另一个创新点在于位于固支梁栅NMOS管差分对下方的固支梁开关NMOS管，如果只在该固支梁开关NMOS管的栅极上加直流电压，且该直流电压能够使该固支梁开关NMOS管导通，此时可以认为该固支梁开关NMOS管是一个恒流源，那么此时该混频器就可以作为差分放大器使用，这样的设计能够使本发明利用同样数量的晶体管实现两种不同的功能。
具有以上结构和特征即可视为本发明的硅基低漏电流固支梁MOSFET混频器。
Claims (4)
1.一种硅基低漏电流固支梁场效应晶体管混频器，其特征是该混频器由两个具有固支梁栅的NMOS管即第一固支梁栅NMOS管(2)、第二固支梁栅NMOS管(3)和一个固支梁开关NMOS管(4)组成，固支梁开关NMOS管(4)是在传统NMOS管的栅极上制作一层二氧化硅层(14)，然后再制作一个悬浮着的固支梁开关(13)而成；第一固支梁栅NMOS管(2)、第二固支梁栅NMOS管(3)的源极相接组合为一个差分对，并共同与固支梁开关NMOS管(4)的漏极连接在一起，固支梁开关NMOS管(4)的源极是接地的，第一固支梁栅NMOS管(2)、第二固支梁栅NMOS管(3)的漏极分别与电阻相接，在这里电阻作为负载使用，两负载共同与电源电压相连接，本振信号υLO在组成差分对的第一固支梁栅NMOS管(2)、第二固支梁栅NMOS管(3)的栅极之间输入，射频信号υRF加载到固支梁开关NMOS管(4)的固支梁开关(13)上，输出信号通过一个中频滤波器选频输出所需要的信号υIF；该混频器制作在P型硅衬底(1)上，引线(5)用铝制作，两个具有固支梁栅的NMOS管的栅极悬浮在栅氧化层(6)的上方形成固支梁栅(7)，固支梁栅(7)的两个锚区(8)用多晶硅制作在栅氧化层(6)上，N+有源区(9)形成源极和漏极，源极和漏极通过通孔(10)与引线(5)连接，下拉电极(11)在固支梁栅(7)下的部分被栅氧化层(6)包裹；固支梁开关NMOS管(4)的固支梁开关(13)依靠锚区(8)的支撑悬浮在固支梁开关NMOS管栅极(12)之上，而该固支梁开关NMOS管栅极(12)则直接制作在栅氧化层(6)之上，其余结构均与第一固支梁栅NMOS管(2)、第二固支梁栅NMOS管(3)相同。
2.根据权利要求1所述的硅基低漏电流固支梁场效应晶体管混频器，其特征在于所述的第一固支梁栅NMOS管(2)、第二固支梁栅NMOS管(3)和固支梁开关NMOS管(4)，将第一固支梁栅NMOS管(2)和第二固支梁栅NMOS管(3)的固支梁栅(7)的下拉电压设计的与NMOS管的阈值电压相等，对于第一固支梁栅NMOS管(2)、第二固支梁栅NMOS管(3)，在固支梁栅(7)与下拉电极(11)之间加载的电压大于NMOS管的阈值电压时才能使固支梁栅(7)下拉与栅氧化层(6)接触，进而使固支梁开关NMOS管(4)管导通，否则固支梁开关NMOS管(4)的固支梁栅(7)就一直处于悬浮的状态，NMOS管是关断的，降低电路的功耗；对于固支梁开关NMOS管(4)，在固支梁开关(13)与下拉电极(11)之间加载的直流电压V2大于固支梁开关的下拉电压时才能使固支梁开关(13)下拉，并与该固支梁开关NMOS管(4)的栅极(12)上的二氧化硅层(14)相接触，否则固支梁开关NMOS管(4)的固支梁开关(13)就一直处于悬浮状态，要使固支梁开关NMOS管(4)导通则需要另在其栅极(12)上加载直流电压V1。
3.根据权利要求1所述的硅基低漏电流固支梁场效应晶体管混频器，其特征在于所述的第一固支梁栅NMOS管(2)、第二固支梁栅NMOS管(3)和固支梁开关NMOS管(4)，其下拉电极都通过高频扼流圈接地，本振信号υLO加载到差分对中的第一固支梁栅NMOS管(2)的固支梁栅(7)和第二固支梁栅NMOS管(3)的固支梁栅(7)之间，本振信号υLO是混频器中输入的两种交流信号中的一种，本振信号电压足够高，当本振信号υLO处于正半周期时使差分对中的第一固支梁栅NMOS管(2)的固支梁栅(7)下拉并且导通，第二固支梁栅NMOS管(3)处于关断状态，其固支梁栅(7)处于悬浮状态，当本振信号υLO处于负半周期时两个NMOS管的开断情况则相反，这就使得差分对中的第一固支梁栅NMOS管(2)、第二固支梁栅NMOS管(3)随着本振信号υLO处于一通一断交替变化的状态，也就是使该两个NMOS管的固支梁栅(7)处于下拉或者悬浮交替的状态，当NMOS管处于关断态时其固支梁栅就处于悬浮状态，这就有效的降低了差分放大器中的MOSFET的栅极漏电流；在固支梁开关NMOS管(4)的栅极(12)上通过高频扼流圈加上足够大的直流电压V1，该直流电压V1使固支梁开关NMOS管(4)导通；另一个直流电压V2通过高频扼流圈加载到固支梁开关NMOS管(4)的固支梁开关(13)上，以使固支梁开关(13)能够下拉贴紧固支梁开关NMOS管(4)的栅极12上的二氧化硅层(14)，该固支梁开关NMOS管(4)的栅极(12)上的二氧化硅层(14)相当于一个隔直流电容，能够阻断固支梁开关(13)上所加的直流信号V2，保证固支梁开关(13)上所加的交流信号仍然能够导通，而高频扼流圈的作用是防止输入交流信号通过固支梁开关(13)的耦合作用对该固支梁开关NMOS管(4)上所加载的直流电压产生影响，在此基础上将射频信号υRF经由固支梁开关(13)加载到固支梁开关NMOS管(4)中，此射频信号是混频器中输入的两种交流信号中的另外一种；当两路交流信号都输入到该混频器电路以后，即可实现交流信号的混频，混频后的输出通过一个中频滤波器选出所需要的信号频率υIF。
4.根据权利要求1所述的硅基低漏电流固支梁场效应晶体管混频器，其特征在于所述的固支梁开关NMOS管(4)，如果只在该固支梁开关NMOS管(4)的栅极(12)上加直流电压V1，那么当直流电压V1大于NMOS管的阈值电压时，固支梁开关NMOS管(4)导通，此时认为固支梁开关NMOS管(4)是一个恒流源，此时该混频器就作为差分放大器使用。
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