CN111466079A - 场效应晶体管组件以及用于调整场效应晶体管的漏极电流的方法 - Google Patents
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Abstract
提出一种场效应晶体管组件(1)，该场效应晶体管组件包括场效应晶体管(T)，所述场效应晶体管具有能借助背栅电压(VBG)调整的背栅连接端(BG)，其中，在场效应晶体管(T)上还施加栅极‑源极电压(VGS)和漏极‑源极电压(VDS)并且漏极电流(ID)流过场效应晶体管(T)。此外，场效应晶体管组件(1)包括与背栅连接端(BG)连接的调节单元(10)，该调节单元设置为用于借助调节背栅连接端(BG)上的背栅电压(VBG)将流过场效应晶体管(T)的漏极电流(ID)调整到额定电流，其中，背栅电压(VBG)的调节至少根据栅极‑源极电压(VGS)来进行。还提出一种用于调整场效应晶体管(T)的漏极电流的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种场效应晶体管组件和一种用于调整场效应晶体管的漏极电流的方法。
背景技术
由于寄生效应，在场效应晶体管中，在饱和区域(也称为夹断区域)中，漏极电流ID随着漏极-源极电压VDS的增加而增加。在CMOS工艺中这种不期望的行为随着晶体管缩放的进展而增加，由此例如现代CMOS场效应晶体管的输出特性曲线族具有显著的斜率，对此也参见图1的现有技术。
所描述的效应不利地导致小信号漏极-源极电阻rDS的减小，并且因此也导致场效应晶体管的固有增益Ai的减小。场效应晶体管的固有增益描述场效应晶体管在确定工作点可以实现的最大电压增益。对于具有高阻负载的源电路中的场效应晶体管，该电压增益由所谓的小信号跨导gm和小信号漏极-源极电阻rDS的乘积计算得出。该参量的高值对于需要大增益或高准确度的应用是重要的。
通过具有多个场效应晶体管的复杂电路拓扑，也可以借助具有低固有增益的场效应晶体管来设计具有高电压增益的放大器电路。然而，这以多个场效应晶体管的堆叠为前提，这在缩放CMOS技术中由于馈电电压低而很困甚至不可能。强的ID(VDS)相关性和低的馈电电压这两种效应的组合使得在缩放CMOS工艺中不能实现或仅以显著的费用才能实现高电压增益。
发明内容
根据本发明，提供一种场效应晶体管组件，该场效应晶体管组件包括具有借助背栅电压可调整的背栅连接端的场效应晶体管，其中，在该场效应晶体管上还存在栅极-源极电压和漏极-源极电压，以及漏极电流流过该场效应晶体管。此外，场效应晶体管组件包括与背栅连接端连接的调节单元，该调节单元设置为用于借助调节背栅连接端上的背栅电压来将流过场效应晶体管的漏极电流调整到额定电流，其中，至少根据栅极-源极电压来进行背栅电压的调节。
本发明具有以下优点：可以借助背栅电压的调节来补偿不期望的寄生效应。由此例如可以产生在场效应晶体管的饱和区域中具有极大程度上恒定的漏极电流的输出特性曲线，对此示例性地参见图4，由此增大小信号漏极-源极电阻并且因此改善场效应晶体管的固有增益。通过本发明实现一种调节系统或调节回路，在该调节系统或调节回路中至少栅极-源极电压起输入参量作用，以便调节起调整参量作用的背栅电压并且因此将漏极电流调整到额定电流。本发明特别适合于背栅电压到漏极电流具有强穿透力的场效应晶体管，例如在SOI或FDSOI CMOS技术中是这种情况。但其他场效应晶体管也可以优选在本发明的意义上使用，在这些其他该场效应晶体管中，可以借助背栅电压的改变来灵敏地改变漏极电流。场效应晶体管例如可以是IGFET，如MOSFET，或JFET，其中，本发明不限于特定的场效应晶体管。例如，不仅可以考虑自导通的场效应晶体管，而且考虑自截止的场效应晶体管。此外，该场效应晶体管组件可以替代现有技术的场效应晶体管而连接或集成到电路中。
优选，调节单元设置为用于也根据场效应晶体管上的漏极-源极电压来调节背栅电压。由此可以例如确保场效应晶体管上于哪个工作区域中，例如是在线性区域中还是在饱和区域中。因此，调节单元可以产生适合于对应区域的背栅电压调节。
优选，场效应晶体管的饱和区域中的额定电流可以独立于漏极-源极电压。换句话说，由调节单元如此调节背栅电压，使得漏极电流作为漏极-源极电压的函数是恒定的。由此使场效应晶体管组件的固有增益最大化。
在特定实施方式中，调节单元可以设置为用于由场效应晶体管的已知电行为来调节场效应晶体管的背栅电压。该实施方案的优点在于，不必明确求取场效应晶体管的漏极电流。此外，调节单元可以承担附加的校准任务，以便例如补偿工艺波动。场效应晶体管的已知电行为可以例如以存储在存储器中的数据组的形式提供给调节单元。由此就可以借助这些数据以及漏极-源极电压和栅极-源极电压来求取用于背栅电压的相应修正参量。
替代地，调节单元可以设置为用于根据流过场效应晶体管的漏极电流来调节背栅电压。因此，存在所有电信息，即漏极电流、栅极-源极电压和漏极-源极电压，用于实现具有参考元件的调节回路。
根据优选实施方式，场效应晶体管组件包括参考场效应晶体管，在该参考场效应晶体管上施加有与场效应晶体管上的栅极-源极电压相同的栅极-源极电压，并且，在参考场效应晶体管上还施加有恒定的漏极-源极电压和恒定的背栅电压。由此，流过参考场效应晶体管的漏极电流有利地不具有与漏极-源极电压的相关性。
调节单元可以设置为用于如此调节场效应晶体管上的背栅电压，使得通过参考场效应晶体管的漏极电流与通过场效应晶体管的漏极电流相同。因此，通过参考场效应晶体管的漏极电流用作通过场效应晶体管的漏极电流的额定参量。因此，借助参考场效应晶体管来调整通过场效应晶体管的独立漏极电流，该独立漏极电流与漏极-源极电压无关。
此外，提出一种电路，尤其是放大器电路，该电路包括根据以上权利要求中任一项所述的一个或多个场效应晶体管组件。通过消除或补偿场效应晶体管的寄生效应，电路、尤其是放大器电路可以具有改善的性能。
根据本发明的用于调整场效应晶体管的漏极电流的方法基本上包括以下步骤：在第一步骤中，提供具有借助背栅电压可调整的背栅连接端的场效应晶体管，其中，在该场效应晶体管上还施加栅极-源极电压和漏极-源极电压。在另一步骤中，借助通过与背栅连接端连接的调节单元调节背栅连接端上的背栅电压，将漏极电流调整到额定电流，其中，至少根据栅极-源极电压和漏极-源极电压来进行背栅电压的调节。
该方法的优点相应于上述场效应晶体管组件的优点。
此外，还可以根据漏极-源极电压来进行背栅电压的调节。
优选，场效应晶体管的饱和区域中的额定电流可以与漏极-源极电压无关。
在特定实施方式中，可以借助调节单元根据场效应晶体管的已知电行为来进行背栅电压的调节。
此外，该方法可以包括根据流过场效应晶体管的漏极电流来调节背栅电压。
优选，该方法可以包括提供参考场效应晶体管，在该参考场效应晶体管上施加有与场效应晶体管上的栅极-源极电压相同的栅极-源极电压，并且，在参考场效应晶体管上施加有恒定的漏极-源极电压和恒定的背栅电压。
在另一优选实施方案中，可以通过调节单元如此进行背栅电压的调节，使得通过参考场效应晶体管的漏极电流与通过场效应晶体管的漏极电流相同。
本发明的有利扩展方案在从属权利要求中说明并且在说明书中进行描述。
附图说明
根据附图和或后面的说明书进一步阐述本发明实施例。附图示出：
图1：现有技术的场效应晶体管的输出特性曲线族，
图2：根据第一实施方式的根据本发明的场效应晶体管组件，
图3：根据第二实施方式的根据本发明的场效应晶体管组件，
图4：根据本发明的场效应晶体管组件的示例性输出特性曲线族。
具体实施方式
在图1中示出现有技术的场效应晶体管的输出特性曲线族，在该输出特性曲线族中，针对多个不同的栅极-源极电压VGS绘制出流过场效应晶体管的漏极电流ID作为漏极-源极电压VDS的函数。在此，在根据现有技术的场效应晶体管上，在其背栅连接端上调整可调整但恒定的背栅电压，此处未明确示出。针对每个对应的栅极-源极电压VGS的漏极电流ID函数走向作为漏极-源极电压VDS的函数显示出针对足够小的漏极-源极电压VDS的线性区域40和针对足够大的漏极-源极电压VDS的饱和区域50，其中，这些区域通过分割线彼此分开以便于观察。在图1中所示的漏极电流ID走向作为漏极-源极电压VDS的函数显示出：在饱和区域50(也称为夹断区域)中，漏极电流仍作为漏极-源极电压的函数而上升，这是不期望的并且归因于寄生效应。该效应不利地导致较低的小信号漏极-源极电阻，并且因此导致较低的固有增益。
在图2中描述根据本发明第一实施方式的场效应晶体管组件1。在此，场效应晶体管组件1例如集成在电路中，在当前具体情况下集成在放大器电路100中。
在此，场效应晶体管组件1包括具有背栅连接端BG的场效应晶体管T，该背栅连接端可借助背栅电压可调整。此外，在场效应晶体管T上施加栅极-源极电压VGS和漏极-源极电压VDS，并且还有漏极电流ID流过场效应晶体管T。在本实施方案中纯示例性地，场效应晶体管T的源极连接端S接地，使得施加于场效应晶体管T的栅极连接端G上的电压相当于栅极-源极电压VGS。然而，在此本发明不限于源极连接端S接地。
此外，场效应晶体管组件1包括调节单元10，该调节单元与场效应晶体管T的背栅连接端BG连接。在此，调节单元10设置为用于借助调节背栅连接端上的背栅电压VBG将流过场效应晶体管T的漏极电流ID调整到额定电流。至少根据栅极-源极电压VGS来进行背栅电压VBG的调节。
场效应晶体管组件1具有以下优点：可以借助调节背栅电压VBG来补偿不期望的寄生效应。例如可以如此选择额定电流，使得小信号漏极-源极电阻相应地增大并且因此改善场效应晶体管T的固有增益。
通过本发明描述一种反馈调节系统或调节回路，在所述调节系统或调节回路中，至少栅极-源极电压VGS用作输入参量，以便调节作为调整参量出现的背栅电压VBG并且因此将漏极电流调整到额定电流。
附加地，调节单元10也可以根据场效应晶体管T上的漏极-源极电压VDS调节背栅电压VBG。借助在给定栅极-源极电压VGS的情况下的漏极-源极电压VDS例如可以确定场效应晶体管T处于哪个工作区域中，即例如确定场效应晶体管T是处于饱和区域50中还是处于线性区域40中。
在此，调节单元10例如可以设置为用于直接探测或感测施加于场效应晶体管T上的漏极-源极电压VDS和栅极-源极电压VGS。替代地，该电压也可以通过未明确示出的相应测量单元来感测并传输给调节单元10。
尤其是，场效应晶体管T的饱和区域50中的额定电流可以独立于漏极-源极电压VDS。因此，根据输入参量如此调节背栅电压VBG，使得漏极电流ID相应地与该恒定额定电流一致。由此可以使固有增益最大化。
在该具体实施方式中，仅根据栅极-源极电压VGS和背栅电压VBG来进行背栅电压VBG的调节，其中本发明不限于此。
在该示例性实施方式中，调节单元10还设置为用于由场效应晶体管T的已知电行为来调节场效应晶体管T的背栅电压VBG。为此，例如可以将场效应晶体管T的描述场效应晶体管T电行为的数据组存储在存储器15中。调节单元10则可以访问该存储器15。例如，调节单元10可以包括内部存储器15，在该存储器中存储有关于场效应晶体管T的电行为的相应数据。例如这些数据可以类似于图1地具有输出特性曲线，这些输出特性曲线呈栅极-源极电压VGS的不同的值的ID(VDS)相关性的形式。
调节单元10就可以通过感测栅极-源极电压VGS和可选地感测漏极-源极电压VDS通过与已知行为进行比较来确定用于背栅电压VBG的适当修正参量。由此就可以相应地通过场效应晶体管T借助背栅电压VBG来调希望的额定电流，该额定电流例如在饱和区域50中是恒定的。在该实施方式中，有利地不必明确求取漏极电流ID作为输入参量。然而，与在图3中所描述的实施方案相比对于调节单元10要求增加的布设费用和复杂的调节技术。
例如从图4可以看出这种场效应晶体管组件1的示例性输出特性曲线族。
如在当前的图2中示例性地所示，这种场效应晶体管组件1可以集成在电路中。在本示例中，电路构造为放大器电路100。该放大器电路100以典型的源电路的形式构建，其中，本发明不限于特定的电路。该实施方案中的放大器电路100包括工作电压VDD，该工作电压经由负载电阻器R1与场效应晶体管T的漏极连接端D连接。因此，工作电压VDD的一部分始终在负载电阻器R1上下降。在此，负载电阻器R1还限制漏极电流ID。在该实施方案中，将该放大器电路100的输入电压施加到场效应晶体管T的栅极连接端G上。在漏极连接端D上就可以截取放大器电路100的放大的输出电压Vout。因此，可以使用场效应晶体管组件1替代现有技术的传统场效应晶体管，其中，电路(此处是放大器电路)与现有技术的电路相比没有寄生行为或具有减少的寄生行为。
在图3中示出根据本发明的第二实施方式的场效应晶体管组件1。
在此，下面详细说明与在图2中所描述的实施方式的不同。对于共同点，参考针对图2的说明书内容。
如在图2中的实施方式中那样，场效应晶体管组件1包括调节单元10，该调节单元与场效应晶体管T的背栅连接端BG连接。调节单元10设置为用于调节借助背栅连接端BG上的背栅电压VBG来将流过场效应晶体管T的漏极电流ID调整到额定电流。在该实施方式中，根据栅极-源极电压VGS并且附加地根据通过场效应晶体管T的漏极电流ID来进行背栅电压VBG的调节。可选地，在该实施方式中，也可以根据漏极-源极电压VDS来进行调节。漏极电流ID可以例如由调节单元10感测，或者也可以由其它测量单元测量并且传输给调节单元10。由此，所有电信息，即栅极-源极电压VGS和漏极-源极电压VDS以及漏极电流ID可供调节单元10使用，以实现具有参考元件的调节回路。
在该优选实施方式中，将参考场效应晶体管T1用作参考元件。在此，在该实施方式中，在参考场效应晶体管T1上施加栅极-源极电压VGS1，该栅极-源极电压与场效应晶体管T的栅极-源极电压VGS相同。
本示例性实施方式中，这种一致通过参考场效应晶体管T1的和源极连接端S一样接地的源极连接端S1并且还通过场效应晶体管T的栅极连接端G到参考场效应晶体管T1的处于一电位上的栅极连接端G1的电连接来实现。因此，通过栅极G、G1的耦合，它们的电位始终相同。由于源极连接端S、S1也位于相同的电位上(因为两者都接)，因此在参考场效应晶体管T1上始终施加与场效应晶体管T上相同的栅极-源极电压VGS＝VGS1。
在该实施方式中，在参考场效应晶体管T1上还施加有恒定的漏极-源极电压VDS1和恒定的背栅电压VBG1。由此，仅与栅极-源极电压VGS相关的漏极电流ID1流过参考场效应晶体管T1到源极连接端S1。因此，该漏极电流ID1与漏极-源极电压VDS无关。
调节单元10则可以如此调节场效应晶体管T上的背栅电压VBG，使得通过参考场效应晶体管T1的漏极电流ID1与通过场效应晶体管T的漏极电流ID相同。由此，进一步地，漏极电流ID也变得与漏极-源极电压VDS无关。因此，漏极电流ID1相当于调节回路的额定电流。
通过这样实现，因此可以使场效应晶体管T的饱和区域50中的输出特性曲线保持恒定，对此也参见例如图4。
类似于图1，场效应晶体管组件1可以集成在电路中，例如放大器电路100，为此参见针对图2的说明书中的解释。
在图4中示出根据本发明的场效应晶体管组件1的示例性输出特性曲线族。在此，针对多个不同的栅极-源极电压VGS绘制出作为漏极-源极电压VDS的函数的漏极电流ID。
如在现有技术的图1中那样，针对每个栅极-源极电压VGS的漏极电流ID的函数走向对于足够小的漏极-源极电压VDS显示出线性区域40而对于足够大的漏极-源极电压VDS显示出饱和区域50，其中，为了看得清楚，各个区域通过分割线分开。
与在图1中所示的输出特性曲线相反，该输出特性曲线在饱和区域50的区域中作为漏极-源极电压VDS的函数具有几乎恒定的走向或者至少显著减小的斜率。换句话说，漏极电流ID与漏极-源极电压VDS无关。有利地，由此得出相应增大的小信号漏极-源极电阻rDS并且因此也得出改善的固有增益Ai。
尽管已经通过优选实施例详细地进一步示出和说明了本发明，但是本发明不限于所公开的示例，而是可以由本领域技术人员在不离开本发明保护范围的情况下由此导出其他变化。
Claims (15)
1.一种场效应晶体管组件(1)，所述场效应晶体管组件包括：
场效应晶体管(T)，其具有能借助背栅电压(VBG)调整的背栅连接端(BG)，其中，在所述场效应晶体管(T)上还施加栅极-源极电压(VGS)和漏极-源极电压(VDS)以及漏极电流(ID)流过所述场效应晶体管(T)；
与所述背栅连接端(BG)连接的调节单元(10)，所述调节单元设置为用于借助调节所述背栅连接端(BG)上的所述背栅电压(VBG)将流过所述场效应晶体管(T)的所述漏极电流(ID)调整到额定电流，其中，所述背栅电压(VBG)的调节至少根据所述栅极-源极电压(VGS)来进行。
2.根据权利要求1所述的场效应晶体管组件(1)，其中，所述调节单元(10)设置为用于根据所述场效应晶体管(T)上的所述漏极-源极电压(VDS)来调节所述背栅电压(VBG)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的场效应晶体管组件(1)，其中，所述场效应晶体管(T)的饱和区域(50)中的所述额定电流与所述漏极-源极电压(VDS)无关。
4.根据前述权利要求中任一项所述的场效应晶体管组件(1)，其中，所述调节单元(10)设置为用于根据所述场效应晶体管(T)的已知电行为来调节所述场效应晶体管(T)的所述背栅电压(VBG)。
5.根据前述权利要求1至3中任一项所述的场效应晶体管组件(1)，其中，所述调节单元(10)还设置为用于根据通过所述场效应晶体管(T)的漏极电流(ID)来调节所述背栅电压(VBG)。
6.根据权利要求5所述的场效应晶体管组件(1)，其中，所述场效应晶体管组件(1)包括参考场效应晶体管(T1)，在所述参考场效应晶体管上施加与所述场效应晶体管(T)的栅极-源极电压(VGS)相同的栅极-源极电压(VGS1)，并且，在所述参考场效应晶体管(T1)上施加有恒定的漏极-源极电压(VDS1)和恒定的背栅电压(VBG1)。
7.根据权利要求6所述的场效应晶体管组件(1)，其中，所述调节单元(10)设置为用于如此调节所述场效应晶体管(T)上的所述背栅电压(VBG)，使得通过所述参考场效应晶体管(T1)的漏极电流(ID1)与通过所述场效应晶体管(T)的漏极电流(ID)相同。
8.一种电路，尤其是放大器电路(100)，所述电路包括根据前述权利要求1至7中任一项所述的一个或多个场效应晶体管组件(1)。
9.一种用于调整场效应晶体管(T)的漏极电流的方法，所述方法包括以下步骤：
提供场效应晶体管(T)，所述场效应晶体管具有能借助背栅电压(VBG)调整的背栅连接端(BG)，其中，在所述场效应晶体管(T)上还施加栅极-源极电压(VGS)和漏极-源极电压(VDS)以及漏极电流(ID)流过所述场效应晶体管(T)；
通过与所述背栅连接端(BG)连接的调节单元(10)借助调节所述背栅连接端(BG)上的背栅电压(VBG)将流过所述场效应晶体管(T)的漏极电流(ID)调整到额定电流，其中，所述背栅电压(VBG)的所述调节至少根据所述栅极-源极电压(VGS)来进行。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述背栅电压(VBG)的所述调节根据所述漏极-源极电压(VDS)来进行。
11.根据权利要求9至10中任一项所述的方法，其中，所述场效应晶体管(T)的饱和区域(50)中的额定电流与所述漏极-源极电压(VDS)无关。
12.根据前述权利要求9至11中任一项所述的方法，其中，借助所述调节单元(10)对所述背栅电压(VBG)进行的所述调节根据所述场效应晶体管(T)的已知电行为来进行。
13.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中，所述背栅电压(VBG)的所述调节根据流过所述场效应晶体管(T)的漏极电流(ID)来进行。
14.根据权利要求13所述的方法，所述方法还包括提供参考场效应晶体管(T1)，在所述参考场效应晶体管上施加与所述场效应晶体管(T)的栅极-源极电压(VGS)相同的栅极-源极电压(VGS1)，并且，在所述参考场效应晶体管(T1)上施加恒定的漏极-源极电压(VDS1)和恒定的背栅电压(VBG1)。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，由所述调节单元(10)对所述背栅电压(VBG)进行的所述调节如此进行，使得通过所述参考场效应晶体管(T1)的漏极电流(ID1)与通过所述场效应晶体管(T)的漏极电流(ID)相同。
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