Silicon-on-Sapphire Circuits and Systems

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Contents
1 The Silicon-on-Sapphire Fabrication Process . . . . . . . . 1
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Why SOI? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 The SOS Fabrication Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3.1 Advantages of SOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.2 Disadvantages of SOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4 SOSWafer Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5 Peregrine SOS Process Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.5.1 Local Isolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.5.2 Fully Depleted Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.6 MOS Devices in the Peregrine SOS Process . . . . . . . . . . 11
1.7 SOS MOS Characteristics for Analog Design . . . . . . . . . 14
1.7.1 Transistor Transconductance Parameter . . . . . . 15
1.7.2 Modeling the Subthreshold Region . . . . . . . . . . 20
1.7.3 Leakage Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.7.4 Above-threshold Statistical Characteristics . . . 28
1.7.5 Subthreshold Statistical Characteristics . . . . . . 32
1.7.6 Comparison Between Data and Simulation
of SOS MOSFETs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2 SOS MOSFET Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2 A Model of the SOS MOSFET in Strong Inversion . . . 40
2.2.1 Strong Inversion Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.2.2 Strong Inversion Model Results
and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.3 Hot Electron Effects in SOS MOSFETs . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.3.1 Standard Hot-Electron Effects Models . . . . . . . 54
2.3.2 Hot Carrier Generated Kink Effect Modeling
of SOS Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.3.3 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.4 EKV Model and Parameter Extraction . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.4.1 The EKV Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.4.2 EKV Model Results and Discussion . . . . . . . . . . 67
2.5 Models of SOS Four Terminal MOSFETs Operated
as Bipolar Transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.5.1 Modeling Bipolar Devices in SOS . . . . . . . . . . . . 71
2.5.2 A Chance for BiCMOS SOS? . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.6 SOS Flash Memory Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.6.1 SOS Flash Memory Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.6.2 SOS Flash Memories Experimental Results . . . 80
2.6.3 SOS Flash Memories Performance
Evaluation and Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
2.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
2.8 Data Collection Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3 Design of SOS Single-Stage Amplifiers
and Analog Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.2 Analog Characteristics of SOS MOSFETs . . . . . . . . . . . . 89
3.3 SOS Current Mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.4 SOS Supply-Independent Current Reference . . . . . . . . 97
3.5 SOS Single-Stage Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.5.1 SOS Common-Source Amplifiers . . . . . . . . . . . . 99
3.5.1.1 SOS Common-Source Amplifiers with
Diode-Connected MOSFET Loads . . . 99
3.5.1.2 SOS Common-Source Amplifiers
with Current-Source Load . . . . . . . . 104
3.5.2 SOS Cascoded Common-Source
Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.5.3 SOS Source-Follower Amplifiers . . . . . . . . . . . . 111
3.6 SOS Differential Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4 Design of SOS Operational Amplifiers, Comparators,
and Voltage References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.1 Operational Amplifiers in SOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.2 Comparator Circuits in SOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.2.1 SOS High-Performance Comparators . . . . . . . 133
4.2.2 SOS Low-power Comparator . . . . . . . . . . . . . . . 136
4.3 SOS Bandgap References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5 Digital Circuit Design in SOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.2 SOS Inverter Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6 Design of SOS Data Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
6.2 SOS DACs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
6.2.1 SOS Capacitive DAC Converters . . . . . . . . . . . 156
6.2.2 SOS Capacitive DAC Accuracy . . . . . . . . . . . . . 157
6.2.2.1 The Split-Array Capacitive DAC . . . 159
6.2.2.2 The C–2C Ladder Capacitive
DAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6.2.2.3 Layout of SOS Capacitive DACs . . . 162
6.2.3 SOS Resistive DACs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
6.3 SOS DACs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
6.3.1 SOS Successive Approximation
Analog-to-Digital Converters . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.3.2 Operation of a SAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
6.3.3 Capacitive Ladder and Charge Scaling . . . . . . 170
6.3.4 SAR ADC Design in SOS and
Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
6.3.4.1 Design of Capacitor Array in SOS . . 172
6.3.4.2 Input Switches, Logic, and SAR:
SOS Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
6.3.4.3 Comparator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
6.3.5 A High-Performance 8-Bit SAR ADC . . . . . . . 174
6.3.6 A High-Precision 10-Bit SOS SAR ADC . . . . . 179
6.3.7 A Low-Power 8-bit SOS SAR ADC . . . . . . . . . 181
6.3.8 A C-2C Ladder Ultralow Power SOS
SAR ADC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
6.3.9 SOS SAR ADC Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
6.4 SOS Asynchronous  Analog
to Digital Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
6.4.1 Result in SOS Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
6.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
7 Photosensitive Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
7.1.1 Advantages of SOS Photodetectors
and Image Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
7.2 Photodetector Design: General Theory . . . . . . . . . . . . . 199
7.2.1 Quantum Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
7.2.2 Photodiode Photocurrent Models . . . . . . . . . . . 202
7.3 Photodiode Design in a Bulk CMOS Process . . . . . . . 204
7.3.1 Generation Rate, Diffusion Coefficients,
and Electron Mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
7.3.2 Characterization of the Depletion Region . . . 205
7.3.3 Quantum Efficiency and Responsivity . . . . . . 206
7.4 SOS Photodetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
7.4.1 SOS PN Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
7.4.1.1 Measured Characteristics of an SOS
PN Photodiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
7.4.2 SOS Phototransistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
7.4.2.1 SOS Phototransistor Measured
Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
7.4.3 SOS PIN Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
7.4.3.1 SOS PIN Photodiode Model . . . . . . 218
7.4.3.2 Measured Characteristics of an SOS
PIN Photodiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
7.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
8 SOS Address-Event Image Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . 229
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
8.2 Overview of Photosensitive Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . 230
8.2.1 Active Pixels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
8.2.2 Photodiodes and Active Pixel Operation . . . . 232
8.2.3 Active Pixel Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
8.3 Noise Sources in Phototransducing Circuits . . . . . . . . 234
8.3.1 Temporal Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
8.3.2 Pixel and Photodiode Design
and Noise Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
8.4 Design of an SOS APS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
8.4.1 SOS APS System Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
8.4.2 SOS APS Testing and Characterization . . . . . . 241
8.4.3 SOS APS Array with Phototransistor
Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
8.4.4 Ultraviolet Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
8.5 Design of an SOS Digital Image Sensor Array . . . . . . 250
8.5.1 Digital Pixel Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
8.5.2 Photodiode Design and Characterization . . . 254
8.5.3 System Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
8.5.4 SOS Digital Image Sensor Testing
and Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
8.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
9 SOS Biosensor Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
9.2 Noise and Sensing Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
9.2.1 Low-Voltage Measurements Limits . . . . . . . . . 267
9.2.2 Low-Current Measurements Limits . . . . . . . . . 267
9.2.3 Voltage-Mode Biosensor Interfaces
and Noise Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
9.2.4 Current-Mode Biosensor Interfaces
and Noise Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
9.2.4.1 Resistive Feedback Current-Measuring
Headstage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
9.2.4.2 Linear Integrator Current-Measuring
Headstage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
9.2.4.3 Follower Integrator Current-Measuring
Headstage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
9.2.4.4 Current Conveyor Current-Measuring
Headstage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
9.2.5 Measurement Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
9.3 SOS Current-Mode Biosensor Interfaces . . . . . . . . . . . . 282
9.3.1 Integrating Current-Measuring Interfaces . . . 283
9.3.1.1 System Components . . . . . . . . . . . . . . 284
9.3.1.2 Input-Referred Noise Analysis . . . . 287
9.3.1.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
9.3.1.4 Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
9.3.2 SOS Continuous-Time Current-Mode
Biosensor Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
9.3.2.1 Continuous-Time Current-Measuring
System Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
9.3.2.2 Noise in the Continuous-Time
Current-Measuring System . . . . . . . 308
9.3.2.3 Hardware Test Bed . . . . . . . . . . . . . . . 312
9.3.2.4 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . 313
9.4 SOS Voltage-Mode Biosensor Interfaces . . . . . . . . . . . . 316
10 SOS Design of Isolation and Three-Dimensional
Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
10.2 Isolation Circuits in SOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
10.2.1 Monolithic Isolation Techniques . . . . . . . . . . . . 325
10.2.2 Capacitively Isolated Circuits in SOS . . . . . . . 326
10.2.2.1 SOS Capacitive Isolator
with Differential Transmission . . . . 329
10.2.2.2 SOS Isolation Charge Pump . . . . . . . 333
10.2.2.3 SOS Differential Capacitive Isolator
Measurements and Results . . . . . . . 337
10.2.2.4 Application of the SOS Isolator: Isolated
Power Supply Feedback . . . . . . . . . . 342
10.2.3 Digital Phase-Shift-Modulated Isolation
Buffer in SOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
10.2.3.1 Digital Phase-Shift-Modulated Isolation
Buffer System Overview . . . . . . . . . . 348
10.2.3.2 Digital Phase-Shift–Modulated
Isolation Buffer Results
and Measurements . . . . . . . . . . . . . . . 350
10.2.4 Inductively Coupled Isolated Circuits . . . . . . 352
10.2.4.1 Transmitter Circuit: LC–Tank
Oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
10.2.4.2 LC–tank Oscillator Model . . . . . . . . . 354
10.2.4.3 Effective Resistance and Minimum
Transconductance . . . . . . . . . . . . . . . . 356
10.2.4.4 Transformer Design . . . . . . . . . . . . . . . 357
10.2.4.5 Active Devices and
Transconductance . . . . . . . . . . . . . . . . 360
10.2.4.6 Receiver Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
10.2.4.7 Electromagnetic Isolator:
Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
10.3 Three-Dimensional Circuits in SOS . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
10.3.1 Three-Dimensional Interdie Capacitive Data
Communication and Power Transfer . . . . . . . . 364
10.3.1.1 Three-Dimensional System
Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
10.3.1.2 Three-Dimensional Circuits Results
and Measurements . . . . . . . . . . . . . . . 368
10.3.2 Three-Dimensional Integrated Sensors
in SOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
10.3.2.1 Three-Dimensional Integrated
Sensor Components . . . . . . . . . . . . . . 375
10.3.2.2 Three-Dimensional Integrated Sensors
Results and Measurements . . . . . . . 376
10.4 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378

A1985

kankna......

HenryLiang

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cschiu

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nezkax

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suewe

Good doc!