電平位移電路應(yīng)用于負(fù)電源的設(shè)計(jì)

　　摘要：本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于負(fù)電源的電平位移電路。實(shí)現(xiàn)從0～8V低壓邏輯輸入到8～-100V高壓驅(qū)動(dòng)輸出的轉(zhuǎn)換。分析了該電路的結(jié)構(gòu)和工作原理?；诖穗娐方Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了滿足應(yīng)用要求的高壓薄膜SOI LDMOS器件。分析了器件的工作狀態(tài)以及耐壓機(jī)理，并利用工藝器件聯(lián)合仿真對(duì)器件的電學(xué)特性進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　關(guān)鍵詞：電平位移;薄膜SOI;LDMOS;負(fù)電源;開(kāi)態(tài)擊穿電壓

　　在柵驅(qū)動(dòng)電路中需要電平位移電路來(lái)實(shí)現(xiàn)從低壓控制輸入到高壓驅(qū)動(dòng)輸出的電平轉(zhuǎn)換。而在一些領(lǐng)域如SOC中的待機(jī)模式激活、ESD保護(hù)等需要能工作在負(fù)電源的電平位移電路。

　　SOI(Silicon-On-Insulator)技術(shù)以其高速、低功耗、高集成度、極小的寄生效應(yīng)以及良好的隔離等特點(diǎn)，在集成電路設(shè)計(jì)應(yīng)用中倍受青睞。

　　本文基于SOI高壓集成技術(shù)設(shè)計(jì)了電源電壓為8～-100V的電平位移電路，并對(duì)電路中的核心LDMOS器件進(jìn)行了設(shè)計(jì)和模擬仿真優(yōu)化。

　　1 電路結(jié)構(gòu)

　　傳統(tǒng)正電源應(yīng)用的電平位移電路結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。L1、L2、L3是由邏輯電路部分產(chǎn)生的低壓時(shí)序控制信號(hào)，N1、N2、N3為高壓nLDMOS器件，P1、P2、P3為高壓平pLDMOS器件。由P1，P2和N1、N2構(gòu)成的電平位移單元將L1、L2的低壓邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢钥刂芇3管的高壓電平，與L3一起控制由P3和N3組成的反向輸出級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)從低壓邏輯信號(hào)到高壓驅(qū)動(dòng)輸出的轉(zhuǎn)換。

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　　在正電源電平位移電路中，由于nLDMOS的源極為低壓，所以可以通過(guò)低壓邏輯部分來(lái)控制其開(kāi)關(guān)狀態(tài)，而源極為高壓的pLDMOS則通過(guò)電平位移來(lái)控制。當(dāng)高壓驅(qū)動(dòng)電壓為8～-00V，低壓邏輯部分工作電壓為0～8V時(shí)，電平位移轉(zhuǎn)換部分的電壓分布本身沒(méi)有改變，但是在和低壓控制端接合時(shí)，與傳統(tǒng)的正電源相比電平發(fā)生了改變，就需要重新設(shè)計(jì)低壓邏輯的控制方式。此時(shí)，nLDMOS的源極為-100V電壓，顯然不能通過(guò)低壓邏輯控制部分的0～8V電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，而pLDMOS的源極為8V電源。因此采用了低壓邏輯輸出直接控制pLDMOS，而nLDMOS則通過(guò)電平位移來(lái)控制的方法，如圖1(b)所示。

　　2 器件設(shè)計(jì)及優(yōu)化

　　由于負(fù)電源供電的電平位移電路結(jié)構(gòu)的改變，應(yīng)用于正電源的常規(guī)nLDMOS和pLDMOS不能滿足該電路結(jié)構(gòu)要求。在正電源供電的電平位移電路中，由于pLDMOS的源端接高壓電源，其柵源需要承受高壓，所以pLDMOS采用了厚柵氧的結(jié)構(gòu)，如圖2(a)所示。在使用負(fù)電源的電平位移電路結(jié)構(gòu)中(圖1(b))，pLDMOS的源端為邏輯高壓8V，柵端由低壓邏輯0～8V電壓控制，因此柵源不再承受高壓。但是nLDMOS的源端為負(fù)電源的最低電位，其柵源需要承受高壓，因此高壓nLDMOS需要采用厚柵氧結(jié)構(gòu)，如圖2(b)所示。

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　　電源的改變不僅僅改變了電路的結(jié)構(gòu)，nLDMOS的厚柵氧，同時(shí)器件的耐壓機(jī)理也發(fā)生了改變?？紤]到低壓管的背柵效應(yīng)，SOI材料的襯底只能接地，因此源漏電平的改變將引起nLDMOS和pLDMOS耐壓機(jī)理的改變。圖3是利用工藝(Tsuprem4)、器件(Medici)聯(lián)合仿真得到的正電源和負(fù)電源電平位移電路中高壓nLDMOS和pLDMOS關(guān)態(tài)擊穿時(shí)等勢(shì)線分布對(duì)比圖。對(duì)于nLDMOS，常規(guī)正電源應(yīng)用的襯底電位對(duì)于漂移區(qū)來(lái)說(shuō)是輔助耗盡作用，這就是常規(guī)SOI中的RESURF原理。但是對(duì)于負(fù)電源的nLDMOS來(lái)說(shuō)，襯底不再起輔助耗盡SOI層漂移區(qū)的作用(圖3(b))。對(duì)于pLDMOS來(lái)說(shuō)，情況剛好相反。所以針對(duì)負(fù)電源應(yīng)用，兩種器件都要進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化處理。

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