CMOS 기반의 소면적 온도센서 설계

Abstract

반도체 공정이 발전함에 따라 단위 면적당 집적되는 트렌지스터 수가 빠르게 증가하고 있다. 이러한 집적도의 증가는 제품 생산 단가를 낮추는데 큰 기여를 하였다. 하지만 고집적 회로는 많은 문제를 만들어 냈는데, 그 중 대표적이 것이 발열이다. 단위 면적당 트렌지스터 수의 증가는 단위 면적당 발생되는 열도 증가시켰다. 온도의 변화는 트렌지스터의 특성을 변화시키기 때문에, 온도 변화를 측정하고 그에 따른 트렌지스터 특성 변화를 적절히 보상해주는 회로가 필요하다. 온도 보상을 하기 위해서는 온도센서 칩을 이용 하는 것이 일반적이다. 하지만 온도센서 칩을 사용하여 온도를 보상 할 경우 온도센서 칩과 보상을 하려는 회로 사이의 온도차이 때문에 정확한 온도 보상을 하기가 어렵다. 본 논문에서는, 정확한 온도 보상을 하기 위해, 보상하려는 회로와 같은 웨이퍼 상에 집적할 수 있는 CMOS 온도 센서를 제안하였다. 온도 센서에 많이 활용되는 BJT 혹은 약반전 영역에서 동작하는 MOSFET을 이용한 구조의 경우 센서 면적이 커서 보상이 필요한 회로와 함께 집적하기가 어렵다. 본 논문에서는 중간 반전 영역에서 동작하는 MOSFET의 전압-전류 식을 새로 정의하고, 그 특징을 이용하여 온도 센서 회로를 설계 하였다. 설계된 온도센서의 몬테-카를로 시뮬레이션 결과 값에 두 점을 이용한 캘리브레이션을 적용한 결과 -50℃ ~ 120℃의 범위에서 ±0.8℃의 오차를 갖는 결과 값을 얻어 낼 수 있었다. 온도 센서의 핵심 부분의 회로 면적은 11.0μm• 12.6μm 이하 이고, 최대 전류 소모량은 5 μA 이다. 또한 감지된 온도 정보를 티지털 정보로 변환하고 캘리브레이션 하는 회로를 설계 하였다. 아울러 캘리브레이션을 위해서는 EEPROM이 필요하므로 EEPROM 제어 회로도 설계 하였다. 온도 센서에서 출력되는 전압은 델타-시그마 변조기를 통해서 12-비트 디지털 정보로 변환되고, 그 값은 다시 캘리브레이션 회로를 통해서 오차가 감소된 12-비트 디지털 값으로 최종 출력된다.; With the advance in the semiconductor production process, the number of transistors per unit area has increased. This has contributed to the small size and low cost of semiconductors. This is also increasing, however, the heat per unit area of semiconductors. CMOS circuit operation changes with temperature variations, because the transistor characteristic is a function of temperature. Thus, a temperature sensor is needed to compensate for temperature variations. The temperature sensor is commonly made by chip type. The chip-type temperature sensor is improper, however, for compensating the temperature variance in the CMOS circuit, because of the marked temperature difference between the CMOS circuit and the chip-type temperature sensor. Therefore, this paper describes the integration of the temperature sensor in the same silicon die as that of the CMOS circuit. BJT types and MOSFETs operated in sub-threshold region types, are commonly used for temperature sensors in the CMOS process. These types of temperature sensor are very large, though. Thus, it is very hard to integrate them in the same silicon die as that of the CMOS circuit. Therefore, a new temperature sensor is designed with MOSFETs, which are operated in the intermediate inversion region. This temperature sensor is much smaller than the BJT or sub-threshold MOSFET type. A Monte Carlo simulation was performed to verify the circuit operation. The results were ±0.8℃ inaccurate in the -50℃-120℃ range after two-point calibration, and the maximum current at the core was 5 μA. The core temperature size was below 11.0μm• 12.6μm. A read-out circuit was also designed and simulated. The voltage of the current temperature was converted to 12-bit digital information with a delta-sigma ADC. And next two-point calibration was performed via a calibration logic. Finally high accurate 12-bit digital output was obtained.