FDSOI技术在高效节能低温CMOS电路中的应用特性研究

《IEEE Journal of the Electron Devices Society》：Characterization of FDSOI Technology for Energy-Efficient Cryo-CMOS Circuits

　　

高性能的低温CMOS电路是量子计算硬件的基础。低温CMOS电路的能效受到设备工作点随温度下降而变化的限制。为了实现能效设计，工作点校准变得至关重要，但在极低温度下进行精确的阈值电压校准却颇具挑战性。在低温环境下，传统的阈值电压提取方法会失效，因为设备的工作点会随温度发生非线性变化，这使得标准的阈值电压提取方法不可靠，尤其是在低VGS（栅压）区域，而低温CMOS电路通常在此区域进行偏置以优化能效。本研究对22纳米FDSOI（鳍式场效应晶体管）技术进行了分析，并展示了一种利用背栅控制进行工作点校准的稳健方法，该方法适用于不同的VDS（栅压-漏电流）范围。我们采用了多种已建立的提取方法（包括恒流法、最大跨导法、二阶导数法、三阶导数法、线性提取法和跨导与电流比法）来评估这些方法在低温条件下的适用性。结果表明，背栅调节提供了一种有效且可扩展的机制，用于补偿工作点的变化，而无需关注阈值电压的绝对值。通过从0到+2伏的体偏置扫描，我们获得了22纳米FDSOI超低VT（SLVT）晶体管的校准后阈值电压结果。为了在低VGS区域实现电路级校准，本研究确定了体系数η作为偏置的相关参数，该参数能够反映栅阈值电压对背栅偏置的有效敏感性。提取出的η值随温度和偏置条件表现出非线性，为能效优化的低温CMOS电路校准提供了一个具有物理意义和设计相关性的参数。