如何减小温度对MOS管阈值电压的影响?
要减小温度对MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）阈值电压（Vth）的影响，我们需要深入理解阈值电压的本质以及温度是如何对其产生作用的。这涉及到材料特性、制造工艺以及电路设计等多个层面。
理解阈值电压（Vth）及其对温度的敏感性
首先，我们得明白Vth到底是什么。简单来说，Vth就是MOSFET开始导通的最小栅极源极电压。当栅极电压（Vg）超过Vth时，沟道中的载流子（对于N沟道MOSFET是电子，对于P沟道MOSFET是空穴）数量足够多，能够形成导电的沟道，允许漏极电流（Id）流过。
Vth的形成主要依赖于以下几个因素：
表面势垒： 栅极电压作用于栅介质，在半导体表面产生电场，吸引或排斥载流子，形成导电沟道。
氧化层厚度（tox）： 越薄的氧化层，相同的栅极电压可以产生更强的电场，更容易形成沟道。
掺杂浓度： 半导体基底的掺杂浓度会影响形成耗尽区所需的电场强度。
固定氧化物电荷（Qox）和界面陷阱电荷（Nit）： 这些电荷存在于栅介质和半导体界面，会影响达到阈值的栅极电压。
温度： 这是我们关注的重点。
温度对Vth的影响主要体现在以下几个方面：
1. 载流子迁移率（Mobility）的改变： 随着温度升高，晶格振动加剧，载流子与晶格的散射增强，导致迁移率下降。这会使得形成导电沟道需要更高的栅极电压。
2. 本征载流子浓度（ni）的增加： 温度升高会产生更多的电子空穴对，这会影响耗尽区和反型层的载流子密度。
3. 表面势垒的改变： 核心在于，温度升高会改变半导体材料本身的能带结构，尤其是费米能级的位置。更具体地说，在MOSFET的沟道形成过程中，需要将半导体表面的费米能级移动到接近本征费米能级（Ei）的位置，以形成反型层。温度升高导致本征载流子浓度增加，费米能级相对更容易向本征费米能级靠近。这意味着，在相同的表面势垒下，可能需要更高的栅极电压。
4. 氧化物和界面的电荷分布： 虽然固定电荷理论上是固定的，但极端温度的变化也可能对这些电荷的某些特性产生微小影响，或者影响其与载流子的相互作用。
总的来说，对于大多数MOSFET（尤其是N沟道MOSFET），温度升高会导致Vth升高；而对于P沟道MOSFET，温度升高则会导致Vth降低。 这种变化通常表现为负的温度系数。
如何减小温度对Vth的影响？
要“减小”这种影响，意味着我们要让Vth在不同温度下变化得更小，或者让电路设计能够补偿这种变化。这可以从几个角度入手：
一、 制造工艺层面的优化：
这是最根本的解决方式，直接从MOSFET器件本身入手。
1. 精细控制栅介质（Gate Dielectric）：
氧化层厚度（tox）： 保持更薄、更均匀的氧化层可以减小Vth的绝对值，但其温度系数主要还是由材料特性决定。
氧化物材料选择： 采用高k介质（Highk Dielectrics）替代传统的SiO2。高k材料在一定程度上可以改变有效氧化层厚度（EOT），并可能带来更优的温度特性。例如，HfO2等材料的研究方向之一就是探索其在宽温度范围内的稳定性。
栅电极材料（Gate Electrode Material）：
多晶硅（Polysilicon）栅： 掺杂多晶硅的功函数（Work Function）会随温度变化。当栅极掺杂浓度变化时，其费米能级也会随温度变化，从而影响Vth。
金属栅（Metal Gate）： 使用功函数与半导体材料（Si）能带中间值相近的金属（如Aluminum, Tungsten, Titanium Nitride等）作为栅电极。这些金属的功函数随温度变化相对较小，且可以根据材料的功函数（Φm）来“调控”Vth，使其在不同温度下变化更小。例如，对于N沟道MOSFET，选择一个合适的金属栅，可以使Vth的温度系数接近于零，或者甚至为正（虽然理论上零是最佳点）。这是现代先进MOSFET技术中非常重要的一个优化方向。
2. 优化半导体基底掺杂（Substrate Doping）：
轻掺杂（Light Doping）： 适当降低基底掺杂浓度，可以减小耗尽区电容，使得栅极电压更容易形成反型层。同时，它也会一定程度上影响Vth的温度系数。
双栅极（Dual Gate）或三栅极（Triple Gate）结构（如FinFET, GateAllAround FET）： 这些先进的器件结构通过多面或环绕的栅极来控制沟道，可以提供更强的栅极控制能力，显著减小短沟道效应的影响，间接也可能改善Vth的温度稳定性，因为栅控比得到了提升。
利用补偿掺杂（Compensating Doping）： 在沟道区域引入不同类型的掺杂剂，形成局部区域的掺杂梯度，这可能有助于抵消部分温度效应。
3. 减少界面陷阱（Interface Traps, Nit）：
高质量的栅介质/半导体界面： 通过优化的热氧化工艺（如在高温下进行长时间退火，或使用特殊的氧化/退火气氛）来钝化界面悬挂键（Dangling Bonds），减少界面陷阱密度。界面陷阱会捕获载流子，并对Vth产生一个静态的偏移，且其行为也可能受温度影响。一个干净、低陷阱密度的界面是Vth温度稳定的重要基础。
钝化处理： 例如，在栅介质内部引入氮（N）原子，可以有效钝化界面陷阱。
4. 深阱掺杂（Deep Well Doping）：
对于一些特定的工艺，如CMOS工艺中的PWell或NWell，其掺杂浓度和深度也会影响到器件的整体工作特性，包括Vth的温度系数。谨慎的Well掺杂设计可以对Vth的温度行为产生影响。
二、 电路设计层面的补偿：
即使器件本身无法做到完全零温度系数，我们也可以通过电路设计来补偿Vth的变化，从而保证整个电路的性能稳定。
1. 温度补偿偏置电路（Temperature Compensated Bias Circuits）：
利用负温度系数元件： 某些元件（如PN结二极管）的导通电压（Vf）具有负的温度系数（温度升高，Vf降低）。可以将这些元件与MOSFET串联或并联，利用其温度变化来抵消MOSFET Vth的温度变化。
使用具有相反温度特性的MOSFET： 例如，如果N沟道MOSFET的Vth随温度升高而升高，可以尝试使用P沟道MOSFET（其Vth随温度升高而降低）在关键路径上进行补偿。
精密带隙基准（Bandgap Reference）结合温度传感： 设计一个能监测实际温度的电路（例如，通过一个具有已知温度系数的PN结或MOSFET），然后根据测量到的温度，动态调整施加到其他MOSFET的栅极电压，使其保持一个相对恒定的等效Vth。
2. 阈值电压锁定（Threshold Voltage Locking）或自偏置技术：
动态体偏置（Dynamic Body Biasing）： 结合温度传感，通过调整MOSFET的体偏置（Substrate Bias, Vb），可以改变其等效的阈值电压。Vth的公式中通常包含一个与体偏置相关的项（如2φF）。通过精细控制Vb，可以在一定程度上补偿Vth随温度的变化。
使用电流镜（Current Mirrors）和负反馈： 设计电流镜电路，使其输出电流在温度变化时能够稳定。这通常涉及让电流镜的参考支路具有温度补偿特性。
3. 采用“退火”或“预烧”技术（Burnin/Annealing）：
在器件出厂前，进行长时间的高温或高湿度循环测试，并进行适当的退火处理。这可以帮助稳定器件内部的电荷分布，并“筛选”出在温度变化下容易出现性能漂移的器件，从而提高批量产品的Vth稳定性。
4. 选择合适的Vth等级（Vth Select）：
在集成电路生产中，同一款芯片可能会有多个Vth等级的MOSFET（例如，高Vth、低Vth）。对于对温度敏感的应用，可以选择那些在测试中表现出更小Vth温度系数的器件，或者选择一个Vth等级，使其在设计工作温度范围内达到最佳平衡。
总结来说，减小温度对MOSFET阈值电压的影响，是一个多维度、系统性的工程挑战。
从源头（制造工艺）出发，通过选择优化的栅电极材料（尤其是金属栅）、改进栅介质质量、降低界面陷阱密度以及精心设计掺杂分布，可以从根本上提升器件本身的温度稳定性。
从应用（电路设计）层面，可以利用负温度系数元件、巧妙的偏置技术、体偏置控制以及温度反馈机制，来补偿或抵消器件固有Vth的温度变化，从而确保整个电路在宽温范围内的可靠工作。
现代高性能、宽温工作范围的集成电路，往往是制造工艺和电路设计共同作用的结果，两者缺一不可。工程师需要在设计初期就充分考虑温度对器件性能的影响，并采取相应的措施来缓解。
理解阈值电压（Vth）及其对温度的敏感性
首先，我们得明白Vth到底是什么。简单来说，Vth就是MOSFET开始导通的最小栅极源极电压。当栅极电压（Vg）超过Vth时，沟道中的载流子（对于N沟道MOSFET是电子，对于P沟道MOSFET是空穴）数量足够多，能够形成导电的沟道，允许漏极电流（Id）流过。
Vth的形成主要依赖于以下几个因素：
表面势垒： 栅极电压作用于栅介质，在半导体表面产生电场，吸引或排斥载流子，形成导电沟道。
氧化层厚度（tox）： 越薄的氧化层，相同的栅极电压可以产生更强的电场，更容易形成沟道。
掺杂浓度： 半导体基底的掺杂浓度会影响形成耗尽区所需的电场强度。
固定氧化物电荷（Qox）和界面陷阱电荷（Nit）： 这些电荷存在于栅介质和半导体界面，会影响达到阈值的栅极电压。
温度： 这是我们关注的重点。
温度对Vth的影响主要体现在以下几个方面：
1. 载流子迁移率（Mobility）的改变： 随着温度升高，晶格振动加剧，载流子与晶格的散射增强，导致迁移率下降。这会使得形成导电沟道需要更高的栅极电压。
2. 本征载流子浓度（ni）的增加： 温度升高会产生更多的电子空穴对，这会影响耗尽区和反型层的载流子密度。
3. 表面势垒的改变： 核心在于，温度升高会改变半导体材料本身的能带结构，尤其是费米能级的位置。更具体地说，在MOSFET的沟道形成过程中，需要将半导体表面的费米能级移动到接近本征费米能级（Ei）的位置，以形成反型层。温度升高导致本征载流子浓度增加，费米能级相对更容易向本征费米能级靠近。这意味着，在相同的表面势垒下，可能需要更高的栅极电压。
4. 氧化物和界面的电荷分布： 虽然固定电荷理论上是固定的，但极端温度的变化也可能对这些电荷的某些特性产生微小影响，或者影响其与载流子的相互作用。
总的来说，对于大多数MOSFET（尤其是N沟道MOSFET），温度升高会导致Vth升高；而对于P沟道MOSFET，温度升高则会导致Vth降低。 这种变化通常表现为负的温度系数。
如何减小温度对Vth的影响？
要“减小”这种影响，意味着我们要让Vth在不同温度下变化得更小，或者让电路设计能够补偿这种变化。这可以从几个角度入手：
一、 制造工艺层面的优化：
这是最根本的解决方式，直接从MOSFET器件本身入手。
1. 精细控制栅介质（Gate Dielectric）：
氧化层厚度（tox）： 保持更薄、更均匀的氧化层可以减小Vth的绝对值，但其温度系数主要还是由材料特性决定。
氧化物材料选择： 采用高k介质（Highk Dielectrics）替代传统的SiO2。高k材料在一定程度上可以改变有效氧化层厚度（EOT），并可能带来更优的温度特性。例如，HfO2等材料的研究方向之一就是探索其在宽温度范围内的稳定性。
栅电极材料（Gate Electrode Material）：
多晶硅（Polysilicon）栅： 掺杂多晶硅的功函数（Work Function）会随温度变化。当栅极掺杂浓度变化时，其费米能级也会随温度变化，从而影响Vth。
金属栅（Metal Gate）： 使用功函数与半导体材料（Si）能带中间值相近的金属（如Aluminum, Tungsten, Titanium Nitride等）作为栅电极。这些金属的功函数随温度变化相对较小，且可以根据材料的功函数（Φm）来“调控”Vth，使其在不同温度下变化更小。例如，对于N沟道MOSFET，选择一个合适的金属栅，可以使Vth的温度系数接近于零，或者甚至为正（虽然理论上零是最佳点）。这是现代先进MOSFET技术中非常重要的一个优化方向。
2. 优化半导体基底掺杂（Substrate Doping）：
轻掺杂（Light Doping）： 适当降低基底掺杂浓度，可以减小耗尽区电容，使得栅极电压更容易形成反型层。同时，它也会一定程度上影响Vth的温度系数。
双栅极（Dual Gate）或三栅极（Triple Gate）结构（如FinFET, GateAllAround FET）： 这些先进的器件结构通过多面或环绕的栅极来控制沟道，可以提供更强的栅极控制能力，显著减小短沟道效应的影响，间接也可能改善Vth的温度稳定性，因为栅控比得到了提升。
利用补偿掺杂（Compensating Doping）： 在沟道区域引入不同类型的掺杂剂，形成局部区域的掺杂梯度，这可能有助于抵消部分温度效应。
3. 减少界面陷阱（Interface Traps, Nit）：
高质量的栅介质/半导体界面： 通过优化的热氧化工艺（如在高温下进行长时间退火，或使用特殊的氧化/退火气氛）来钝化界面悬挂键（Dangling Bonds），减少界面陷阱密度。界面陷阱会捕获载流子，并对Vth产生一个静态的偏移，且其行为也可能受温度影响。一个干净、低陷阱密度的界面是Vth温度稳定的重要基础。
钝化处理： 例如，在栅介质内部引入氮（N）原子，可以有效钝化界面陷阱。
4. 深阱掺杂（Deep Well Doping）：
对于一些特定的工艺，如CMOS工艺中的PWell或NWell，其掺杂浓度和深度也会影响到器件的整体工作特性，包括Vth的温度系数。谨慎的Well掺杂设计可以对Vth的温度行为产生影响。
二、 电路设计层面的补偿：
即使器件本身无法做到完全零温度系数，我们也可以通过电路设计来补偿Vth的变化，从而保证整个电路的性能稳定。
1. 温度补偿偏置电路（Temperature Compensated Bias Circuits）：
利用负温度系数元件： 某些元件（如PN结二极管）的导通电压（Vf）具有负的温度系数（温度升高，Vf降低）。可以将这些元件与MOSFET串联或并联，利用其温度变化来抵消MOSFET Vth的温度变化。
使用具有相反温度特性的MOSFET： 例如，如果N沟道MOSFET的Vth随温度升高而升高，可以尝试使用P沟道MOSFET（其Vth随温度升高而降低）在关键路径上进行补偿。
精密带隙基准（Bandgap Reference）结合温度传感： 设计一个能监测实际温度的电路（例如，通过一个具有已知温度系数的PN结或MOSFET），然后根据测量到的温度，动态调整施加到其他MOSFET的栅极电压，使其保持一个相对恒定的等效Vth。
2. 阈值电压锁定（Threshold Voltage Locking）或自偏置技术：
动态体偏置（Dynamic Body Biasing）： 结合温度传感，通过调整MOSFET的体偏置（Substrate Bias, Vb），可以改变其等效的阈值电压。Vth的公式中通常包含一个与体偏置相关的项（如2φF）。通过精细控制Vb，可以在一定程度上补偿Vth随温度的变化。
使用电流镜（Current Mirrors）和负反馈： 设计电流镜电路，使其输出电流在温度变化时能够稳定。这通常涉及让电流镜的参考支路具有温度补偿特性。
3. 采用“退火”或“预烧”技术（Burnin/Annealing）：
在器件出厂前，进行长时间的高温或高湿度循环测试，并进行适当的退火处理。这可以帮助稳定器件内部的电荷分布，并“筛选”出在温度变化下容易出现性能漂移的器件，从而提高批量产品的Vth稳定性。
4. 选择合适的Vth等级（Vth Select）：
在集成电路生产中，同一款芯片可能会有多个Vth等级的MOSFET（例如，高Vth、低Vth）。对于对温度敏感的应用，可以选择那些在测试中表现出更小Vth温度系数的器件，或者选择一个Vth等级，使其在设计工作温度范围内达到最佳平衡。
总结来说，减小温度对MOSFET阈值电压的影响，是一个多维度、系统性的工程挑战。
从源头（制造工艺）出发，通过选择优化的栅电极材料（尤其是金属栅）、改进栅介质质量、降低界面陷阱密度以及精心设计掺杂分布，可以从根本上提升器件本身的温度稳定性。
从应用（电路设计）层面，可以利用负温度系数元件、巧妙的偏置技术、体偏置控制以及温度反馈机制，来补偿或抵消器件固有Vth的温度变化，从而确保整个电路在宽温范围内的可靠工作。
现代高性能、宽温工作范围的集成电路，往往是制造工艺和电路设计共同作用的结果，两者缺一不可。工程师需要在设计初期就充分考虑温度对器件性能的影响，并采取相应的措施来缓解。
网友意见
啊，不好意思，没注意审题，题主问的是chopper input NMOS switch，不是input pair~~~
NMOS switch 不行的话要不先试试CMOS switch或者bootstrap switch ？
============分割线=============
vth是物理定律决定的，除非你有足够大的能量让foundary单独为你调整，而且极有可能会有别的方面的trade-off。所以想要不一样的vth温漂的办法是-----换foundary，或者换process。
话说和PVT作斗争不正是IC工程师最大的乐趣么~~~~
好了回到正题，通常我们只能通过修改电路结构来适应器件的温漂特性。比如说。
1，input增加一级pmos source follower leveling shifting，一来一去基本可以抵消温漂？
2，如果电源电压够高，考虑PMOS input pair或者PMOS input pair + NMOS input pair？
3, 如果你用的工艺衬偏效应比较显著，是不是可以考虑有意识的bulk biasing来缓解vth的温漂？
总之啦，人是活的，办法是想出来的，一个不行再换一个~~~~
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