下一代UHFRFID應(yīng)答器開發(fā)設(shè)計(jì)詳細(xì)論述

應(yīng)答器設(shè)計(jì)的成本依賴于幾個因素，而不僅僅是硅的成本。事實(shí)上，芯片制造工藝的成本（就其復(fù)雜性和成熟程度與良率而言）一般可以由電路設(shè)計(jì)師來控制。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)裸片面積超過1mm2時(shí)，用于供應(yīng)鏈應(yīng)用的RFID的成本開始下降。

當(dāng)RFID應(yīng)答器從系統(tǒng)的最小范圍運(yùn)動到最大范圍時(shí)，其功率大致變化三十倍，所以RFID應(yīng)答器的功率要求可能對設(shè)計(jì)師提出了一個難于預(yù)測的挑戰(zhàn)。盡管UHFRFID應(yīng)答器可以獲得的典型功率在一百毫瓦數(shù)量級，但該問題并非僅限于功耗。即使是在短距離內(nèi)，可以對應(yīng)答器提供足夠的功率卻可能導(dǎo)致電壓過載。應(yīng)答器還必須工作在從-25℃~+40℃的標(biāo)稱工作范圍內(nèi)，以及從-40℃~+65℃基于EPCGen2標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展溫度范圍內(nèi)。

成本與功率要求極大地影響了對用于生產(chǎn)RFID應(yīng)答器IC的工藝選擇。正如在先前系列文章中所提到的，肖特基接觸在RFID應(yīng)答器設(shè)計(jì)中提供了低開啟電壓、低結(jié)電容以及高電流驅(qū)動。另外，已經(jīng)有人致力于采用新的工藝，例如BiCMOS以及藍(lán)寶石硅片（SOS），其提供了極佳的低功耗性能。但每種方法都有其不利的一面。在CMOS工藝中肖特基接觸并非是常規(guī)的，而一般需要后處理步驟。其它工藝諸如BiCMOS和SOS對大多數(shù)RFID應(yīng)答器應(yīng)用而言又太貴了。

實(shí)現(xiàn)低功耗電路要求的另一個方法是動態(tài)閾值電壓MOSFET（DTMOS）技術(shù)。其可以利用體硅CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)廉價(jià)生產(chǎn)。其全部優(yōu)勢非常適合于開發(fā)下一代UHFRFID應(yīng)答器，本文將對此作詳細(xì)論述。本文將首先介紹DTMOS的基本原理。接下來，DTMOS在數(shù)字、模擬以及射頻領(lǐng)域的實(shí)現(xiàn)將被重點(diǎn)說明，這是由于UHFRFID應(yīng)答器包括了涉及所有這三個領(lǐng)域的電路。最后，將演示滿足EPCGen2指標(biāo)UHFRFID的DTMOS帶隙參考電路的芯片實(shí)現(xiàn)。

DTMOS屬于基本上采用互連的阱和柵的MOS晶體管（圖1）。對于雙阱p襯底CMOS工藝，由于只能單獨(dú)控制和生產(chǎn)N阱的這一事實(shí)，所以只能采用P型DTMOS，這是因?yàn)镹型DTMOS的P阱具有到P襯底的共同和低歐姆的通路。然而，N型DTMOS可以在具有深N阱特性的工藝中獲得。DTMOS的操作類似于弱反型MOS的操作，相似于橫向PNP管中的三極管操作。弱反型MOS晶體管的漏電流與橫向PNP的集電極電流（都在飽和區(qū)）為：

其中：F=FBJT=VBE。用于三極管，F(xiàn)=FWIM=［（VGS-VT）×COX/（COX+Cdepletion）］用于弱反型MOS晶體管。

耗盡層電容的值依賴于耗盡層的寬度，其依次依賴于阱的摻雜特性，以及在硅中源極結(jié)附近的電壓降。因此，該因素依賴于所采用的阱-源電壓和通過閾值調(diào)制效應(yīng)所采用的阱-源電壓。

DTMOS可以被看作基極上具有額外柵的橫向雙極PNP管。基于這一觀點(diǎn)，DTMOS的漏電流主要取決于通過源—阱結(jié)的電壓，其在VGS與ID之間產(chǎn)生了理想的指數(shù)（類似雙極）關(guān)系。由于互連柵—阱的存在，在柵和阱之間存在著內(nèi)建電壓FGW。由于電容的分配，電壓FGW在柵氧和硅上被再次分配。這意味著硅中的電壓降由于FGW作為勢壘，降低了電壓Fb1，DTMOS的漏電流可以表示為：

由這些推導(dǎo)得出的關(guān)鍵結(jié)果如下：

1.與硅PN結(jié)的1.2V相比，DTMOS器件的帶隙顯然是0.6V；

2.DTMOS器件具有理想的指數(shù)特性［IDaexp（qVGS/kT）］；

3.DTMOS器件的橫向電流具有exp（qFb1/kT）因子，其比通常的橫向PNP要大；

4.帶隙電壓具有明顯的溫度依賴性。

采用0.25umDTMOS工藝生產(chǎn)的初步成功設(shè)計(jì)工作在77K溫度下，使用0.6V電源電壓并將襯底連接到固定的正向偏置電壓。接下來的試驗(yàn)包括受控柵橫向雙極晶體管（GCLPNP）以及襯底連接到柵端的硅絕緣體（SOI）MOSFET工藝。第一種工藝用于小型的低功耗模擬應(yīng)用，而第二種工藝是超低功耗CMOS的典型最佳候選技術(shù)。

DTMOS技術(shù)在其產(chǎn)生的柵—延遲/功耗方面與傳統(tǒng)的CMOS技術(shù)相比顯示出驚人的性能優(yōu)勢。DTMOS還在RF電路中顯示出優(yōu)越性能。在傳統(tǒng)的CMOS中，縮小到更小特征尺寸和閾值電壓（VTH）的工藝增加了工作速度。然而，VTH的降低也導(dǎo)致了亞閾值MOSFET行為的下降。靜態(tài)電路中靜態(tài)電流的增加，將VTH限制為0.4V。DTMOS可能可以克服這些約束，特別是工作在具有陡峭的亞閾值特性的極低VDD和低VTH下。對DTMOS，柵輸入電壓正向偏置了襯底，根據(jù)著名的體效應(yīng)公式，VTH將降低：