Cmos整流二極管電路單元的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種CMOS整流二極管電路單元，包括一個(gè)PMOS晶體管、一個(gè)NMOS晶體管、第一偏置電壓源和第二偏置電壓源；所述PMOS晶體管的源極與所述第二偏置電壓源的負(fù)端相連，并一起連接到整流二極管單元的正端，所述PMOS晶體管的柵極與所述第一偏置電壓源的負(fù)端相連，所述PMOS晶體管的漏極和襯底連接在一起，并與所述NMOS晶體管的漏極和襯底相連；所述NMOS晶體管的源極與所述第一偏置電壓源的正端相連，并一起連接到整流二極管單元的負(fù)端，所述NMOS晶體管的柵極與所述第二偏置電壓源的正端相連。本發(fā)明提供的CMOS整流二極管電路單元不僅具有較低的開(kāi)啟電壓，而且具有非常低的反向漏電，適用于在超低功耗整流電路中，可有效提高整流電路的效率。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
CMOS整流二極管電路單元
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種CMOS整流二極管電路單元。
【背景技術(shù)】
[0002]二極管是最常用的基礎(chǔ)電子元器件之一，其正向?qū)ê头聪蚪刂沟奶匦员粡V泛應(yīng)用于各種用途的電路中，尤其是作為整流器件應(yīng)用于各種電源電路。傳統(tǒng)的整流二極管主要有PN結(jié)二極管和肖特基二極管兩類(lèi)，PN結(jié)二極管的反向漏電較小，但是其正向?qū)▔航岛艽?；肖特基二極管的正向?qū)▔航递^小，但是其反向漏電很大，且不與CMOS工藝兼容。為了提高整流電路的性能，減小功耗，應(yīng)設(shè)法降低二極管的正向?qū)▔航岛头聪蚵╇?，此外，為了使整流電路便于與其他CMOS電路單片集成，二極管應(yīng)與CMOS工藝兼容。
[0003]為了實(shí)現(xiàn)高性能的整流二極管，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)此展開(kāi)了研究，并提出了多種整流二極管電路單元，其中，圖2是廣泛應(yīng)用于整流電路的一種整流二極管電路單元。該結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)柵漏直接相連的MOS 二極管(如圖1所示)基礎(chǔ)上，在柵漏之間加入補(bǔ)償電壓，當(dāng)二極管正向偏置時(shí)，由于該補(bǔ)償電壓的作用，使其正向?qū)娏髯兇?，正向?qū)▔航底冃。刃榻档土硕O管的開(kāi)啟電壓。但是該結(jié)構(gòu)在反向偏置時(shí)，其反向漏電比傳統(tǒng)的柵漏直接相連的MOS 二極管還要大一個(gè)量級(jí)。反向漏電較大會(huì)直接導(dǎo)致整流電路效率下降，尤其是在一些超低功耗系統(tǒng)中，反向漏電過(guò)大帶來(lái)的效率下降會(huì)更明顯。
[0004]圖3是針對(duì)超低功耗電路應(yīng)用提出的一種低反向漏電的CMOS 二極管電路單元，該結(jié)構(gòu)包括交叉對(duì)稱(chēng)連接的互補(bǔ)的PMOS和NMOS晶體管，具體的，PMOS晶體管的源極與NMOS晶體管的柵極相連，并一起連接到二極管單元的正端，柵極與NMOS晶體管的源極相連，并一起連接到二極管單元的負(fù)端，漏極和襯底連接在一起，并與NMOS晶體管的漏極和襯底連接在一起。當(dāng)正向偏置時(shí)，該結(jié)構(gòu)可看作是兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的PMOS 二極管和NMOS 二極管串聯(lián)，呈現(xiàn)為二極管正向?qū)ㄌ匦?；?dāng)反向偏置時(shí)，該結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出PMOS和NMOS晶體管的源極連接在一起，二者的Vgs都為負(fù)，隨著反向偏置電壓的增大，反向漏電流會(huì)隨之大大降低，呈現(xiàn)為MOS晶體管的反向截止特性?？梢钥闯?，這種結(jié)構(gòu)的二極管電路單元的優(yōu)點(diǎn)是可以把二極管單元的反向漏電降低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，但是其正向?qū)ㄌ匦耘c傳統(tǒng)二極管類(lèi)似，開(kāi)啟電壓并沒(méi)有減小。
[0005]綜上所述，可知現(xiàn)有技術(shù)中的CMOS 二極管電路單元存在著開(kāi)啟電壓較低時(shí)的反向漏電較大，或者反向漏電較低時(shí)的開(kāi)啟電壓較高的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的CMOS 二極管電路單元開(kāi)啟電壓較低時(shí)的反向漏電較大，或者反向漏電較低時(shí)的開(kāi)啟電壓較高的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種同時(shí)具有低反向漏電和低開(kāi)啟電壓的CMOS整流二極管電路單元。
[0007]本發(fā)明提供一種CMOS整流二極管電路單元，包括:
[0008]—個(gè)PMOS晶體管Mp、一個(gè)NMOS晶體管Mn、第一偏置電壓源V。。和第二偏置電壓源Vcn；
[0009]所述PMOS晶體管Mp的源極與所述第二偏置電壓源V m的負(fù)端相連，并一起連接到整流二極管單元的正端，所述PMOS晶體管Mp的柵極與所述第一偏置電壓源V。。的負(fù)端相連，所述PMOS晶體管Mp的漏極和襯底連接在一起，并與所述NMOS晶體管M ?的漏極和襯底相連；
[0010]所述NMOS晶體管源極與所述第一偏置電壓源V的正端相連，并一起連接到整流二極管單元的負(fù)端，所述NMOS晶體管^的柵極與所述第二偏置電壓源Vm的正端相連。
[0011]本發(fā)明提供的CMOS整流二極管電路單元，基于現(xiàn)有的降低二極管單元開(kāi)啟電壓技術(shù)和減小二極管單元反向漏電技術(shù)，在低反向漏電CMOS 二極管電路單元的基礎(chǔ)上，分別在PMOS晶體管的柵極與NMOS晶體管的源極、NMOS晶體管的柵極與PMOS晶體管的源極之間加入補(bǔ)償電壓。這種具有補(bǔ)償電壓的互補(bǔ)型二極管電路單元，在反向偏置時(shí)，PMOS和NMOS晶體管都表現(xiàn)為MOS晶體管的反向截止特性，即反向電流非常小，大大減小了二極管單元的反向漏電；而在正向偏置時(shí)，PMOS和NMOS晶體管的正向?qū)▔航刀己艿?，等效為二極管單元的開(kāi)啟電壓被降低。因此，本發(fā)明提供的CMOS整流二極管電路單元同時(shí)具有較低的開(kāi)啟電壓和非常低的反向漏電，當(dāng)該整流二極管單元應(yīng)用于超低功耗的整流電路時(shí)，會(huì)大大提高整流電路的效率。
【附圖說(shuō)明】
[0012]為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單的介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0013]圖1為傳統(tǒng)的MOS 二極管單元電路實(shí)例；
[0014]圖2為現(xiàn)有技術(shù)具有低開(kāi)啟電壓的二極管單元電路實(shí)例；
[0015]圖3為現(xiàn)有技術(shù)具有低反向漏電的二極管單元電路實(shí)例；
[0016]圖4為本發(fā)明所提供的具有低反向漏電和低開(kāi)啟電壓的CMOS整流二極管電路單元的電路實(shí)施例；
[0017]圖5為本發(fā)明所提供的CMOS整流二極管電路單元與傳統(tǒng)MOS 二極管、現(xiàn)有技術(shù)具有低開(kāi)啟電壓的整流二極管單元、以及現(xiàn)有技術(shù)具有低反向漏電的二極管單元的ι-ν曲線(xiàn)對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0019]本發(fā)明實(shí)施例提供了一種CMOS整流二極管電路單元，不僅具有較低的開(kāi)啟電壓，而且具有很低的反向漏電，可應(yīng)用于超低功耗整流電路中，提高整流電路的效率。
[0020]如圖4所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的CMOS整流二極管電路單元包括:一個(gè)PMOS晶體管Mp、一個(gè)NMOS晶體管Mn、第一偏置電壓V。。、第二偏置電壓Vm和二極管單元的正端“ + ”和負(fù)端“-”。
[0021]所述PMOS晶體管Mp的源極與所述第二偏置電壓源V m的負(fù)端相連，并一起連接到二極管單元的正端“ + ”，所述PMOS晶體管Mp的柵極與所述第一偏置電壓源V的負(fù)端相連，所述PMOS晶體管Mp的漏極和襯底連接在一起，并與所述NMOS晶體管M ?的漏極和襯底相連；
[0022]所述NMOS晶體管1?的源極與所述第一偏置電壓源V的正端相連，并一起連接到二極管單元的負(fù)端所述NMOS晶體管柵極與所述第二偏置電壓源V m的正端相連。
[0023]本發(fā)明實(shí)施例提供的CMOS整流二極管電路單元的工作原理為:
[0024]基于現(xiàn)有的降低二極管單元開(kāi)啟電壓技術(shù)和減小二極管單元反向漏電技術(shù)，在低反向漏電CMOS 二極管電路單元的基礎(chǔ)上，分別在PMOS晶體管的柵極與NMOS晶體管的源極、NMOS晶體管的柵極與PMOS晶體管的源極之間加入補(bǔ)償電壓^和V cn0
[0025]具體的，結(jié)合圖4，當(dāng)二極管單元的兩端施加正向偏置電壓Vd時(shí)，Mp的柵源電壓Vgsip= -V CP-VD, Mn的柵源電壓Vgs,n= V m+VD。即，與傳統(tǒng)PMOS 二極管相比，PMOS晶體管的Vgsip更負(fù)，與傳統(tǒng)的NMOS 二極管相比，NMOS晶體管的Vgsin更正。這就意味著，PMOS晶體管和NMOS晶體管導(dǎo)通的更完全，二者的導(dǎo)通壓降也更小，等效為二極管單元的開(kāi)啟電壓變低。
[0026]當(dāng)二極管單元的兩端施加反向偏置電壓Vd時(shí)，M p的柵源電壓Vgs,p= V:VD，]\^的柵源電壓Vgs,n= Vm-VD。S卩，PMOS晶體管的Vgs,p更正，且隨著偏置電壓Vd的增大，PMOS晶體管被關(guān)斷的更徹底，其反向漏電更小；而NMOS晶體管的Vgsin并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)更負(fù)，NMOS晶體管不能被徹底關(guān)斷，因此其反向漏電流會(huì)稍大一些。也就是說(shuō)，與圖3所示的具有低反向漏電的二極管電路單元反偏時(shí)相比，本發(fā)明所提供的二極管電路單元的反向漏電會(huì)稍大一些，但是仍然比圖1和圖2所示的傳統(tǒng)MOS 二極管和具有低開(kāi)啟電壓的整流二極管電路單元的反向漏電要小。
[0027]具體的，可以結(jié)合圖5得到更直觀(guān)的結(jié)論。圖5是分別對(duì)圖1所示的傳統(tǒng)PMOS 二極管、圖2所示的具有低開(kāi)啟電壓的二極管電路單元、圖3所示的具有低反向漏電的二極管電路單元、以及本發(fā)明所提供的CMOS整流二極管電路單元進(jìn)行直流掃描仿真得到的各二極管電路單元的1-V特性曲線(xiàn)。很容易看出，本發(fā)明所提供的CMOS整流二極管電路單元，其正向?qū)ㄇ€(xiàn)與圖2所示的具有低開(kāi)啟電壓的二極管電路單元的一致，開(kāi)啟電壓都非常小，只有幾十mV;其反向截止曲線(xiàn)介于圖2所示的具有低開(kāi)啟電壓的二極管電路單元和圖3所示的具有低反向漏電的二極管電路單元之間，隨著反向偏壓的增大，本發(fā)明所提供的CMOS整流二極管電路單元的反向漏電流急劇下降，最后達(dá)到MOS具體的物理極限?？梢钥闯觯?dāng)反向偏壓為0.5V時(shí)，本發(fā)明所提供的CMOS整流二極管電路單元的反向漏電流比圖2所示的具有低開(kāi)啟電壓的二極管電路單元的反向漏電流低2個(gè)數(shù)量級(jí)；當(dāng)反向偏壓增大到IV時(shí)，本發(fā)明所提供的CMOS整流二極管電路單元的反向漏電流比圖2所示的具有低開(kāi)啟電壓的二極管電路單元的反向漏電流低5個(gè)數(shù)量級(jí)。
[0028]本發(fā)明所提供的CMOS整流二極管電路單元，在正向偏置時(shí)，導(dǎo)通電流較大，導(dǎo)通壓降很小，等效為降低了二極管單元的開(kāi)啟電壓；在反向偏置時(shí)表現(xiàn)為MOS晶體管的反向截止特性，使二極管單元的反向漏電降低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，有效抑制了反向漏電。從而，不僅可以降低二極管單元的開(kāi)啟電壓，而且同時(shí)可以有效抑制二極管單元的反向漏電，當(dāng)其應(yīng)用于超低功耗的整流電路時(shí)，可以提高整流電路的效率。
[0029]此外，本發(fā)明所提供的CMOS整流二極管電路單元還具有較短的反向恢復(fù)時(shí)間，開(kāi)關(guān)速度較快，也適用于高頻整流電路。
[0030]以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種CMOS整流二極管電路單元，其特征在于，包括: 一個(gè)PMOS晶體管、一個(gè)NMOS晶體管、第一偏置電壓源和第二偏置電壓源； 所述PMOS晶體管的源極與所述第二偏置電壓源的負(fù)端相連，并一起連接到整流二極管單元的正端，所述PMOS晶體管的柵極與所述第一偏置電壓源的負(fù)端相連，所述PMOS晶體管的漏極和襯底連接在一起，并與所述NMOS晶體管的漏極和襯底相連； 所述NMOS晶體管的源極與所述第一偏置電壓源的正端相連，并一起連接到整流二極管單元的負(fù)端，所述NMOS晶體管的柵極與所述第二偏置電壓源的正端相連。
【文檔編號(hào)】H02M1/06GK105991002SQ201510058455
【公開(kāi)日】2016年10月5日
【申請(qǐng)日】2015年2月4日
【發(fā)明人】劉欣, 劉昱, 張海英
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院微電子研究所