用于产生指示温度的电信号的装置

1.本发明涉及一种用于产生指示温度的电信号的装置。


背景技术：

2.可以检测温度变化的电路和设备是已知的。例如，可以利用金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)的阈值电压来检测温度变化，或者可以利用热敏电阻来产生随温度增加的输出电流。在这两种情况下，产生的信号都可以用于温度调节(例如在过热保护电路中)，但是需要额外的电路来响应于检测到的电流的增加而减小输出电流。此外，在这种电路中用于修改输出信号的温度相关关系的设计自由度可能有限。因此，在本领域中需要这样的一种电路设计，其能够适于产生具有变化的温度相关关系的输出信号。


技术实现要素：

3.根据本发明的第一方面，提供了一种装置，包括：第一薄膜晶体管tft，包括第一源极、第一栅极和第一漏极，第一漏极被配置为接收参考电流；以及第二tft，包括第二源极、第二栅极和第二漏极，第一栅极和第二栅极都被配置为接收相同的栅极电压，其中第一tft和第二tft被配置为使得第一tft的温度相关关系与第二tft的温度相关关系不同，使得第二tft和第二漏极处的输出电流取决于温度。
4.在根据第一方面的一些实施例中，第一tft和第二tft各自独立地都具有正(positive)温度相关关系，并且第一tft的温度相关关系强于第二tft更，因此输出电流的总体温度相关关系为负(negative)，使得输出电流的幅度随着第一tft和第二tft的温度升高而减小。
5.在根据第一方面的一些实施例中，第一tft和第二tft各自独立地都具有负温度相关关系，并且第二tft的温度相关关系强于第一tft，因此输出电流的总体温度相关关系为负，使得输出电流的幅度随着第一tft和第二tft的温度升高而减小。
6.在根据第一方面的一些实施例中，第一tft和第二tft是源门控晶体管(source-gated transistor)。
7.在根据第一方面的一些实施例中，第一源极和第一栅极之间的交叠面积s1不同于第二源极和第二栅极之间的交叠面积s2，使得第一tft的温度相关关系不同于第二tft的温度相关关系。
8.在根据第一方面的一些实施例中，对于第一tft和第二tft中的每一个存在阈值源极长度，超过该阈值源极长度，则增加源极长度对流过tft的电流的温度相关关系的影响是能够忽略不计的，其中s1和s2中的一个处于或大于阈值源极长度，并且s1和s2中的另一个小于阈值源极长度。
9.在根据第一方面的一些实施例中，第一tft和第二tft具有不同的组分，使得第一tft的温度相关关系不同于第二tft的温度相关关系。
10.在根据第一方面的一些实施例中，第一栅极和第二栅极包括单个栅极的相应部
分，使得该单个栅极充当第一tft和第二tft的公共栅极。
11.在根据第一方面的一些实施例中，该装置被配置为在上限温度阈值和下限温度阈值之间的温度范围内操作，并且其中上限温度阈值和下限温度阈值是第一tft和第二tft的相应温度-电流曲线的线性部分内的温度。应当理解，该上下文中的“线性”应解释为近似或基本上是线性的，因为实际上温度和电流之间的关系可能不是完全线性的。
12.在根据第一方面的一些实施例中，该装置包括恒流源，该恒流源被配置为向第一漏极提供恒定电流作为参考电流。
13.在根据第一方面的一些实施例中，该装置包括连接到第二tft的负载，使得流过负载的电流取决于第二漏极处的输出电流。
14.在根据第一方面的一些实施例中，该装置被配置为作为温度传感器来操作，其中第二漏极处的输出电流的幅度指示第一tft和第二tft的温度。
15.在根据第一方面的一些实施例中，该装置包括：电流测量单元，被配置为测量输出电流的幅度；以及温度确定单元，被配置为根据由电流测量单元测量的电流来确定第一tft和第二tft的温度。温度确定单元可被配置为输出所确定的温度，例如作为对所确定的温度的可听或可视指示。
16.在根据第一方面的一些实施例中，该装置包括温度控制器，其被配置为升高或降低第一tft和第二tft的温度，其中第二tft被配置为向温度控制器提供输出电流，使得由温度控制器产生的加热或冷却效果的幅度取决于输出电流的幅度，其中第一tft和第二tft以及温度控制器形成反馈回路，使得该装置充当温度调节电路，其被配置为将第一tft和第二tft所处的环境维持在于基本恒定的温度。
17.在根据第一方面的一些实施例中，温度控制器包括振荡器电路，该振荡器电路被配置为使得振荡器电路的振荡频率取决于由第二tft提供的输出电流的幅度。
18.在根据第一方面的一些实施例中，由于电流流过振荡器电路而产生的对第一tft和第二tft的焦耳(joule)热效应取决于由第二tft提供的输出电流的幅度。
19.在根据第一方面的一些实施例中，该装置包括温度控制电路，该温度控制电路被配置为接收振荡器电路的输出作为定时信号，并根据定时信号的振荡频率产生加热或冷却效果，使得由温度控制电路产生的加热或冷却效果取决于第一tft和第二tft的温度。
20.在根据第一方面的一些实施例中，振荡器电路是电流匮乏环形振荡器电路，并且第二tft是包括在该电流匮乏环形振荡器电路中的多个第二tft中的一个，该多个第二tft中的每一个包括被配置为接收与第一栅极相同的栅极电压的相应第二栅极。
21.根据本发明的第二方面，提供了一种可穿戴电子设备，包括根据第一方面的装置，其中该装置被配置为调节可穿戴电子设备的至少一部分的温度。
22.根据本发明的第三方面，提供了一种设计根据第一方面的装置的方法，该方法包括：确定第二tft处的输出电流的目标温度相关关系；确定提供具有目标温度相关关系的输出电流所需的第一tft的温度相关关系和第二tft的温度相关关系；以及确定提供所确定的第一tft的温度相关关系所需的第一tft的特性，并确定提供所确定的第二tft的温度相关关系所需的第二tft的特性。
23.在根据第三方面的一些实施例中，该方法还可以包括制造所设计的装置的步骤。
附图说明
24.现在将参考附图通过仅示例的方式描述本发明的实施例，其中：
25.图1示出了根据本发明实施例的用于产生具有正温度相关关系或负温度相关关系的电信号的装置；
26.图2示出了根据本发明实施例的多晶硅肖特基势垒sgt的平面图；
27.图3示出了根据本发明实施例的多晶硅肖特基势垒sgt的横截面；
28.图4示出了根据本发明实施例的氧化铟-镓-锌(igzo)sgt的横截面；
29.图5是示出根据本发明实施例的多晶硅sgt的测量传输特性的曲线图；
30.图6是示出根据本发明实施例的多晶硅sgt的测量输出特性的曲线图；
31.图7是示出根据本发明实施例的igzosgt的测量传输特性的曲线图；
32.图8是示出根据本发明实施例的igzo sgt的测量输出特性的曲线图；
33.图9是示出根据本发明实施例的多晶硅sgt的模拟传输特性的曲线图；
34.图10是示出根据本发明实施例的多晶硅sgt的模拟输出特性的曲线图；
35.图11示出了根据本发明实施例的使用sgt的电流镜(cm)型电路的俯视图，其中第一晶体管和第二晶体管具有相同的源极长度s和相同的源极-漏极间隙d；
36.图12示出了根据本发明实施例的使用sgt的cm型电路的俯视图，其中第一晶体管和第二晶体管具有相同的源极长度s和相同的源极-漏极间隙d；
37.图13示出了根据本发明实施例的使用sgt的cm型电路的俯视图，其中第一晶体管具有比第二晶体管更大的源极长度s和源极-漏极间隙d；
38.图14示出了根据本发明实施例的使用sgt的cm型电路的俯视图，其中第一晶体管具有比第二晶体管更小的源极长度s和源极-漏极间隙d；
39.图15是示出根据本发明实施例的包括sgt的cm型电路的输出电流对温度的测量依赖性的曲线图；
40.图16是示出根据本发明实施例的使用具有不同s组合的sgt的cm型电路的输出电流对温度的模拟依赖性的曲线图；
41.图17是根据本发明实施例的使用sgt的cm型电路在各种温度下的输出电流相对于参考电流的曲线图；
42.图18示出了根据本发明实施例的使用n型sgt和恒流源的cm型电路；
43.图19示出了根据本发明实施例的装置，该装置包括由类似于图18所示的反相器级驱动的环形振荡器电路；
44.图20是示出根据本发明实施例的图19的环形振荡器电路的反相器级延迟对温度的依赖性的曲线图；
45.图21是示出根据本发明实施例的图19的环形振荡器电路的反相器级的输出电流随温度变化的曲线图；
46.图22是示出根据本发明实施例的图19的环形振荡器电路的反相器级的栅极电压随温度变化的曲线图；
47.图23是示出根据本发明实施例的图19的环形振荡器电路的反相器级的开关延迟随温度变化的曲线图；以及
48.图24示出了根据本发明实施例的温度感测装置。
具体实施方式
49.在以下具体实施方式中，仅通过说明的方式示出和描述了本发明的某些示例性实施例。如本领域技术人员将意识到的，所描述的实施例可以以各种不同的方式进行修改，所有这些修改都不脱离本发明的范围。因此，附图和描述应被视为本质上是说明性的而不是限制性的。在整个说明书中，相同的参考标号表示相同的元素。
50.现在参考图1，示出了根据本发明实施例的用于产生指示温度的电信号的装置。装置100包括以类似方式连接到电流镜电路的第一晶体管110和第二晶体管120。第一晶体管110和第二晶体管120各自包括源极111、121，栅极112、122和漏极113、123。第一晶体管110和第二晶体管120被布置成使得第一晶体管110的源极111和栅极112之间的电位差与第二晶体管120的源极121和栅极122之间的电位差相同。在本实施例中，这是通过将两个晶体管110、120的源极111、121连接到公共参考电压(在这种情况下为接地)，并将同一栅极电压vg提供给两个晶体管110、120的栅极112、122来实现的。
51.如图1所示的电路在本文中被称为“cm型”电路。术语“cm型”应理解为表示电路包括以类似方式连接到电流镜的两个晶体管，而不暗示电路以与电流镜完全相同的方式运行。如下所述，本发明的实施例利用第一晶体管110和第二晶体管120之间的差异来产生取决于温度的输出电流，这与常规电流镜不同，在常规电流镜中，在所有温度下将固定比例的参考电流复制到输出。
52.此外，在本实施例中，装置100包括被配置为提供恒定参考电流i
ref
的恒流源130。恒流源130的输出连接到第一晶体管110的漏极113，并且还连接到第一晶体管110的栅极112和第二晶体管120的栅极122。换言之，第一晶体管110的栅极112与第二晶体管120的栅极122均连接至第一晶体管110的漏极113。以此方式，第一晶体管110的栅极112与第二晶体管120的栅极122均被提供同一栅极电压vg，在本实施例中为恒流源130的输出处的电压。在其他实施例中，可以使用可变电流源代替恒流源130。在这样的实施例中，第一晶体管110的栅极112和第二晶体管120的栅极122仍可被提供同一栅极电压vg，例如通过将两个栅极112、122连接到公共节点，如图1所示的实施例。
53.在另一实施例中，第一晶体管110和第二晶体管120的源极111、121可以不如图1所示直接彼此连接，而是可以连接到被配置为向源极111、121两者提供同一电压的单独的输入端。类似地，在另一实施例中，第一晶体管110和第二晶体管120的栅极112、122可以不如图1所示直接彼此连接，而是可以连接到被配置为向栅极112、122两者提供同一电压的单独的输入端。
54.在传统的电流镜中，第一晶体管和第二晶体管具有相同的与温度相关的电流和电压特性。由于电流镜的功能是在第二晶体管的输出处复制参考电流或固定比例的参考电流，因此使用相同的晶体管确保了参考电流被精确复制。然而，发明人已经认识到，通过使用表现出不同的温度相关关系的晶体管110、120，在第二晶体管120的漏极122处产生的输出电流根据温度而变化，从而指示第一晶体管110和第二晶体管120的温度。因此，在本发明的实施例中，第一晶体管110和第二晶体管120被配置为使得第一晶体管110的温度相关关系不同于第二晶体管120的温度相关关系。结果，流经连接到第二晶体管120的漏极123的负载r
l 140的输出电流i
l
取决于温度，这与传统的电流镜电路不同。此外，可以通过适当地选择第一晶体管110和第二晶体管120的相对温度相关关系来控制输出电流i
l
的温度相关关
系。
55.如上所述，装置100可以用于产生指示温度的电信号。在本实施例中，指示温度的信号包括电流i
l
，其幅度取决于第一晶体管110和第二晶体管120的温度。这样的装置100可以用于各种应用，例如作为温度传感器、或作为温度调节电路中的反馈回路的一部分。
56.在一些实施例中，第一晶体管110和/或第二晶体管120可以是源门控晶体管(sgt)。图2示出了根据本发明实施例的多晶硅肖特基势垒sgt210的平面图。图2所示的sgt 210包括源极211、栅极212、漏极213和场板214。在sgt中，漏极电流的温度相关关系取决于源极-栅极交叠s，其还可称为“源极长度”。在使用薄膜晶体管(tft)代替sgt的实施例中，sgt中的源极长度s的等效参数将是沟道长度l。因此，当使用sgt时，两个晶体管110、120的输出电流的相对温度相关关系可以简单地通过选择适当的源极-栅极交叠s来控制。当使用其他类型的晶体管时，第一晶体管和第二晶体管的影响温度相关关系的不同之处可能是另一特性。例如，一些其他类型的薄膜晶体管(tft)可能具有根据沟道长度l而变化的温度相关关系，并且可以通过选择适当的沟道长度l来获得cm型电路的期望ptd或ntd输出电流。在一些实施例中，可以使用不同类型晶体管的组合。例如，在一个实施例中，第一晶体管110和第二晶体管120中的一个可以是非sgt tft，并且第一晶体管110和第二晶体管120中的另一个可以是sgt tft。
57.此外，在本发明的实施例中，第二晶体管120的漏极123处的电流i
l
的温度相关关系(td)可以是正的(ptd)或负的(ntd)。在如图2所示的sgt 210中，从源极211的漏极侧边缘注入的电流具有高ptd，而ptd随着s增加而减小，这是因为来自源极211的主体的电荷注入开始占主导地位。可以通过在其他方面相同的设备中改变s来获得不同的温度行为。因此，通过适当地选择第一晶体管110和第二晶体管120中的每一个的输出电流温度相关关系，本发明的实施例可以提供具有相对较少组件的电路，这些组件具有输出电流i
l
的高度可配置td。如果第一晶体管和第二晶体管的相对宽度不同，则cm型电路的输出电流将根据晶体管的宽度比而放大或减小。然而，输出电流对温度的依赖性仍将由两个晶体管之间的s之比决定。
58.可以根据第一晶体管110和第二晶体管120的相对td产生具有ptd或ntd的电流的电路(例如，图1所示的电路100)可以证明在广泛的应用中很有用，例如用于紧凑型设备(例如，可穿戴电子设备或传感器系统)中的过热保护的温度感测电路和自调节电路。这样的电路可能特别适用于诸如印刷和柔性大面积电子电路之类的应用，因为通过能够使用少量组件来产生具有期望ptd或ntd特性的电流，本发明的实施例可有助于提高可靠性并提高制造良率。
59.尽管图2示出了多晶硅肖特基势垒sgt 210，但在本发明的其他实施例中，不同类型的晶体管可以用作第一晶体管110和第二晶体管120。图3示出了根据本发明另一实施例的低温多晶硅(ltps)肖特基势垒sgt的横截面，而图4示出了根据本发明又一实施例的隧道接触sgt的横截面。在图4的实施例中，隧道接触sgt由氧化铟-镓-锌(igzo)形成，但在其他实施例中，可以使用任何其他合适的材料。图3的ltps sgt 310包括源极311、栅极312和漏极313。图4的igzo sgt410也包括源极411、栅极412和漏极413，并还包括设置在半导体有源层415与源极411、漏极413之间的绝缘层414。图3示出了ltps晶体管310中来自源极的主体并处于源极的漏极侧边缘的不同电荷注入路径，类似路径也适用于igzo晶体管410。
60.此外，虽然在图2至图4中示出了特定tft结构，但在本发明的其他实施例中，可以使用与图2至图4所示晶体管不同类型的晶体管，例如使用不同的材料和/或不同的结构。例如，虽然在本实施例中绝缘层414设置在源极-漏极间隙之上以及源极电极411和漏极电极413之上，但在其他实施例中，绝缘层414可以仅设置在源极电极411之上，并从源极-漏极间隙和漏极电极413省略。
61.以下表1总结了图3的ltps sgt310和图4的igzo sgt410的器件参数，以及技术计算机辅助设计(tcad)模拟中使用的模拟参数。应理解，以下列出的尺寸和材料仅提供为说明性示例以帮助理解本发明，而不应被解释为限制性的。在其他实施例中，第一晶体管110和第二晶体管120可以使用与表1所列不同的材料和/或不同的尺寸，或者可以包括具有不同温度相关关系的不同类型的tft(例如，一个晶体管可以是sgt tft，而另一个可以另一种类型的tft)。
[0062][0063][0064]
表1
[0065]
图5和图6示出了曲线图，这些曲线图示出了与图3的sgt 310类似的多晶硅sgt的测量电气数据。图5绘制了对于5v的恒定漏极电压vd，在温度t＝300k和t＝330k下，针对s和d的不同组合的传输特性。图6绘制了对于12v的恒定栅极电压vg，在t＝300k和t＝330k下，针对与图5相同的s和d组合的输出特性。在本实施例中，sgt由于主体掺杂而在耗尽状态下工作，并且关于d表现出典型的低电压饱和以及漏极电流独立性。此外，如图6所示，饱和漏极电流实际上与漏极电压无关。这可以是期望属性，因为由此输出电流对电路rl上的负载的电阻的变化不敏感(或等同地，对电源电压的变化不敏感)。由于sgt中的2-d电荷注入过程，对于具有较短源极的器件，漏极电流的温度相关关系略高。在本发明的实施例中，可以在与图1所示类似的电路中利用这种行为来生成ntd和ptd电流。
[0066]
图7和图8示出了曲线图，这些曲线图示出了与图4的sgt 410类似的igzo sgt的测量电气数据。图7绘制了对于5v的恒定漏极电压vd，在温度t＝300k和t＝330k下，针对s＝45
μm和s＝9μm的器件(该两者都具有d＝50μm)的传输特性。图7示出了对于具有较长源极的器件，漏极电流ptd较大。图8绘制了对于各种值的栅极电压vg，在t＝330k下，针对s＝45μm的器件的输出特性，并示出了器件表现出sgt行为。低压行为是超线性的，但不会妨碍如图1所示的cm型电路的功能，其中晶体管在饱和状态下工作。
[0067]
图9和图10示出了根据本发明实施例的多晶硅增强模式器件的使用silvaco atlas v.5.24.1.r的tcad热和电协同模拟结果。在模拟中使用的器件参数如表1所示。图9绘制了对于5v的恒定漏极电压vd，在温度t＝300k和t＝340k下，针对s＝1μm、s＝5μm和s＝25μm的多晶硅sgt器件的模拟传输特性。图10绘制了对于8v的恒定栅极电压vg，在t＝300k和t＝340k下，针对与图9相同的器件的输出特性。
[0068]
如图9和图10所示，模拟的多晶硅sgt表现出与图6和图7中制造的多晶硅sgt相似的特性。s＝1μm的模拟器件由于小源极面积具有减少的漏极电流。此外，由于来自源极边缘的注入占主导地位，该器件中的漏极电流具有较大ptd。s＝5μm和s＝25μm的模拟器件表现非常相似，这表明在这两个器件中，来自源极的主体的注入不仅占主导地位，并且随着s增加早在5μm时饱和。换句话说，将源极长度从1μm增加到5μm对漏极电流的温度相关关系具有相对较大影响，而继续将源极长度增加超过5μm对输出电流的幅度和及其温度相关关系具有相对较小影响。
[0069]
因此，对于任何给定的器件几何形状和材料组合，存在阈值源极长度s
tsat
，在该阈值源极长度s
tsat
处发生温度相关关系的饱和，使得将源极长度增加超过该阈值s
tsat
对漏极电流的影响忽略不计。在本发明的实施例中，可以通过选择晶体管110、120中的一个的源极长度s处于或大于阈值源极长度s
tsat
，并选择另一晶体管的源极长度s小于阈值源极长度s
tsat
，来获得第一晶体管110和第二晶体管120之间的较大td对比，从而获得更强ptd或ntd的输出电流。可以通过选择该另一晶体管的源极长度s远小于阈值源极长度s
tsat
来获得具有较强温度相关关系(高ptd或高ntd)的输出电流。
[0070]
现在参考图11至图14，示出了根据本发明实施例的与图1所示类似的使用sgt的cm型电路的俯视图。如图1的实施例，图11至图14所示的每个电路包括第一晶体管和第二晶体管，第一晶体管包括第一源极111、第一栅极112和第一漏极113，第二晶体管包括第二源极121、第二栅极122和第二漏极123。在图11至图14的实施例中，第一栅极112和第二栅极122包括单个栅极端子的相应部分，使得该单个栅极端子充当第一晶体管和第二晶体管的公共栅极。
[0071]
图11示出了其中第一晶体管和第二晶体管具有相同的源极长度s和相同的源极-漏极间隙d的实施例。图12也示出了其中第一晶体管和第二晶体管具有相同的源极长度s和相同的源极-漏极间隙d的实施例，但s和d的值小于图11的实施例。由于第一晶体管和第二晶体管在两种情况下具有相同的尺寸，如果在第一晶体管和第二晶体管中使用相同的材料，则电路将表现为理想电流镜。然而，在本发明的一些实施例中，可以通过在第一晶体管和第二晶体管中使用不同的材料和/或掺杂剂水平来产生第一晶体管和第二晶体管的td之间的差异。在这样的实施例中，第一晶体管和第二晶体管可以具有彼此相同的尺寸、或者可以具有不同的尺寸。
[0072]
图13和图14示出了其中第一晶体管具有与第二晶体管不同的s值和/或不同的d值的实施例，结果是第一晶体管和第二晶体管具有不同的td。在图13中，第一晶体管具有比第
二晶体管更大的源极长度s和更大的源极-漏极间隙d。在图14中，第一晶体管具有比第二晶体管更小的源极长度s和更小的源极-漏极间隙d。由于第一晶体管和第二晶体管在图13和图14中具有不同的源极长度s，在这两个实施例中，第一晶体管和第二晶体管可以由相同的材料形成并仍将呈现不同的td。然而，在一些实施例中，具有不同源极长度s的晶体管(如图13和图14所示的示例)还可以由彼此不同的材料形成。
[0073]
现在参考图15和图16，示出了根据本发明实施例的包括具有不同源长度s的sgt的cm型电路的测量和模拟数据。图15是示出包括多晶硅sgt的cm型电路的输出电流对温度的测量依赖性的曲线图。具体地，图15绘制了针对下列项的数据：包括s
m1
＝2μm的第一晶体管(m1)和s
m2
＝8μm的第二晶体管(m2)的电路；包括s
m1
＝2μm的第一晶体管(m1)和s
m2
＝2μm的第二晶体管(m2)的电路；以及包括s
ml
＝8μm的第一晶体管(m1)和s
m2
＝2μm的第二晶体管(m2)的电路。
[0074]
如图15所示，在其中第一晶体管的源极长度s小于第二晶体管(s
m1
＜s
m2
)的实施例中，输出电流的总体td为负，这表示输出电流的幅度随着第一晶体管和第二晶体管的温度升高而减小。这是因为第一晶体管的漏极电流的ptd高于第二晶体管的漏极电流ptd，这在硅中的肖特基接触sgt的情况下可以通过在第一晶体管中使用较短的源极长度s来获得，如图14的实施例中的示例所示。在这样的实施例中，当第一晶体管以恒定电流i
ref
驱动时，电路的整体温度的升高将导致第一晶体管和第二晶体管两者的栅极电压降低。然而，由于第二晶体管的ptd低于第一晶体管，因此由于第二晶体管的源极长度s较长，第二晶体管的漏极电流(即电路的输出电流)随着温度而减小。在图15绘制的数据中，对于s
m1
＝2μm且s
m2
＝8μm的实施例，观察到-0.53％/k的平均温度灵敏度输出电流(tsoc)。
[0075]
相反，在其他实施例中，可以通过使用具有比第一晶体管更短的源极长度s的第二晶体管来获得ptd输出电流，如图13所示的实施例中的情况。在图15绘制的数据中，对于s
m1
＝8μm且s
m2
＝2μm的实施例，观察到 0.64％/k的tsoc。对于s
m1
＝s
m2
＝2μm的相同晶体管的实施例，tsoc在 0.06％/k处几乎忽略不计，表明该器件的行为接近理想电流镜。
[0076]
图16是示出根据本发明实施例的使用具有不同s和d组合的多晶硅sgt的cm型电路的输出电流对温度的模拟依赖性的曲线图。图16中的输出电流温度相关关系是在直流(dc)条件下模拟的。与图15绘制的测量数据相比，图16绘制的tcad模拟显示出类似行为，但具有更大的tsoc，这是由于器件之间的源极长度s的较大差异。在对s
m1
＝1μm且s
m2
＝25μm的器件的模拟中，观察到-1.83％/k的tsoc，而在对s
m1
＝25μm且s
m2
＝1μm的器件的模拟中，观察到 3.15％/k的tsoc。对于其中第一晶体管和第二晶体管具有相同的源极长度(s
m1
＝s
m2
＝1、5、25μm)的实施例，观察到可忽略不计的 0.002％/k的tsoc。
[0077]
如以上参考图10所述，存在阈值源极长度s
tsat
，超过该阈值源极长度s
tsat
，进一步增加源极长度对漏极电流几乎没有影响或没有影响。对于图16绘制的tdac模拟中所使用的器件几何形状和材料，该阈值s
tsat
发生在接近s＝5μm。例如，在本实施例中，阈值s
tsat
可以在10μm附近。此外，如上所述，可以通过选择晶体管110、120中的一个的源极长度s处于或大于阈值源极长度s
tsat
，并选择另一晶体管的源极长度s小于阈值源极长度s
tsat
，来获得第一晶体管110和第二晶体管120之间的较大td对比，从而获得更强ptd或ntd的输出电流。
[0078]
可以在图16中看到该效果，因为s
m1
＝1μm、s
m2
＝5μm以及s
m1
＝1μm、s
m2
＝25μm的器件都产生强ntd的输出电流，而s
m1
＝5μm、s
m2
＝25μm的器件产生仅非常弱ntd的输出电流。类似
地，s
m1
＝25μm、s
m2
＝1μm以及s
m1
＝5μm、s
m2
＝1μm的器件都产生强ptd的输出电流，而s
m1
＝25μm、s
m2
＝5μm的器件产生仅非常弱ptd的输出电流。因此，通过选择晶体管110、120中的一个的源极长度s处于或大于阈值源极长度s
tsat
，并选择另一晶体管的源极长度s小于阈值源极长度s
tsat
，可以获得对温度变化具有较大敏感性的cm型电路。
[0079]
此外，如图16所示，器件的温度-电流曲线在约305k和325k之间呈现出近似线性的部分，并且在该温度范围之外具有非线性行为。在一些实施例中，装置100被配置为在上限温度阈值和下限温度阈值之间的温度范围内操作，其中上限温度阈值和下限温度阈值是第一晶体管和第二晶体管的相应温度-电流曲线的线性部分内的温度。以这种方式，装置100的输出电流在整个设计操作范围内保持与温度大致线性成比例，使得易于将输出电流的幅度转换为温度测量。在一些应用中，可能优选具有以非线性方式随温度变化的输出电流，例如以使输出电流对特定温度范围内的温度变化更敏感。
[0080]
现在参考图17，示出了根据本发明实施例的使用igzo sgt的电流镜电路在各种温度下的输出电流相对于参考电流的曲线图。图17绘制的数据示出igzo电路实现了与上述基于多晶硅的电路相同的净效应。在本实施例中，其中第一晶体管的漏极电流具有比第二晶体管更高的ptd，获得-1.17％/k的tsoc。
[0081]
现在参考图18和图19，示出了根据本发明实施例的包括环形振荡器电路1902的装置。图18示出了包括以与图1所示类似的cm型布置连接的第一晶体管1810和第二晶体管1820的电路。此外，图18的电路包括第三晶体管1841，其源极连接到第二晶体管1820的漏极。第三晶体管1841的源极处的电压v
out
被提供给电容器1842的一个端子，电容器1842的另一端子接地。
[0082]
图19示出了基于图18所示装置的装置1900，包括以与图1所示类似的cm型电路连接的第一和第二晶体管1901，并且包括由第三晶体管1830的阵列驱动的振荡器核心1902，每个第三晶体管1830接收从第二晶体管1820复制的电流。环形振荡器的每一级包含具有信号反相属性的信号放大级，在本实施例中，信号放大级包括反相逻辑门。每一级包括与图18中的第二晶体管1820和第三晶体管1841类似的布置。所有级中的第三晶体管1841可以将它们的栅极连接在一起作为输入，并将它们的漏极连接在一起作为输出，并且每一级的输出用作下一级的输入。在一些实施例中，第三晶体管1841可以用作反相器，前提是第二晶体管1820在每一级的底部被复制，如图19中的下排晶体管下所示。
[0083]
振荡器电路1902靠近第一和第二晶体管1901设置，使得第一和第二晶体管1901的温度受振荡器电路1902的温度影响。由于振荡器电路而产生的对第一晶体管和第二晶体管的加热效果取决于流过振荡器电路的电流的幅度，并且还可以取决于外部温度。以这种方式，振荡器电路可以通过增加流过振荡器电路的电流，通过焦耳加热来提高第一晶体管和第二晶体管的温度。
[0084]
在本实施例中，振荡器电路1902是电流匮乏环形振荡电路，并且第二晶体管是该电流匮乏环形振荡电路的多个第二晶体管之一。振荡器电路1902包括多个级，每一级包括第二晶体管中的一个，并且每个第二晶体管包括被配置为接收与第一栅极相同的栅极电压的相应第二栅极电极。以这种方式，输出电流i
l
被复制到振荡器电路1902的每一级，使得晶体管m2处的输出电流的变化产生流过振荡器电路1902的每一级的电流的相应变化。当第二晶体管m2的漏极处的输出电流具有负温度相关关系时，电流匮乏环形振荡器1902通过负反
馈机制根据装置1900的温度来调整其操作频率。此外，当cm型电路1901被配置为生成ntd输出电流时，电流匮乏环形振荡器1902将自调节由振荡器电路1902驱动的任何其他电路的操作速度和功耗。在一些实施例中，可以由被配置为生成独立于温度的稳定时钟信号的电路来单独地生成精确时钟。
[0085]
由于第二晶体管m2的漏极处的输出电流的负温度相关关系，第一和第二晶体管1901以及振荡器电路1902一起形成反馈回路，使得该装置充当温度调节电路。此外，振荡器电路1902可能足够强大以影响装置1900的周围环境的温度，和/或可以被配置为驱动单独的加热或冷却设备。这样，温度调节电路可以用于将装置1900的周围环境维持在基本恒定的温度。例如，装置1900可被包括在可穿戴电子设备中并用于调节可穿戴电子设备的至少一部分中的温度。在一些实施例中，电路可以集成到衣服中，以帮助调节穿着衣服的人的温度。
[0086]
例如，在一些实施例中，如图19所示的振荡器电路1902的输出可以用作对附加电路的定时信号，使得被提供给附加电路的定时信号的频率根据温度而改变。附加电路可以被配置为产生取决于由操作电路1902提供的定时信号的频率的加热或冷却效果，因此可被称为温度控制电路。例如，温度控制电路可以被配置为与由来自振荡器电路1902的定时信号控制的其操作频率成比例地散热。这样，第一和第二晶体管1901的温度升高降低由振荡器电路1902产生的定时信号的频率，从而使得温度控制电路中的散热减少，并由此降低第一和第二晶体管1901的温度。例如，这种布置可以确保温度控制电路相对于温度保持在安全操作限制内，或者可以确保由温度控制电路散发的热量不会将温度升高到可能对用户或系统的其他组件有害的水平。
[0087]
在其他实施例中，可以提供类似于图19所示的电路，其中第一和第二晶体管1901被配置为在第二晶体管m2的漏极处产生具有正温度相关关系的输出电流。在这种情况下，振荡器电路频率随温度升高而增加，并且可用作灵敏的温度传感器。例如，计数器可以用于确定振荡器电路的频率并将其转换为温度测量。
[0088]
振荡器电路1902更一般地可以称为温度控制器，因为振荡器电路1902的功能是控制第一和第二晶体管1901以及周围环境的温度。虽然在本实施例中温度控制器是振荡器电路，但在其他实施例中，可以不同地实现不同类型的温度控制器。例如，在一些实施例中，如图1所示的cm型电路可以连接到珀尔帖(peltier)器件形式的温度控制器，并且第一晶体管和第二晶体管被设置在珀尔帖器件的加热侧或冷却侧。这样，珀尔帖器件可以加热或冷却第一和晶体管第二晶体管以及周围环境，并且加热或冷却效果的幅度取决于第二晶体管的漏极提供的输出电流。
[0089]
现在参考图20，图示了示出根据本发明实施例图19的电路中包括的图18的电路的反相器级延迟对温度的依赖性的曲线图。
[0090]
使用以上关于图16所述的atlas混合模式能力，其中使用spice(即电容器)和atlas(物理建模)设备两者来描述和模拟spice电路，类似于图18所示的装置被模拟为图19所示电路的一部分。图18所示的公共源极放大器使用cm型电路作为有源负载并由方波驱动。使用瞬态仿真来研究电路的时间响应，并且仿真结果在图20至图23中绘制。
[0091]
如图20所示，随着装置1800的温度升高，cm型电路的输出电流i
out
减小，因为在本实施例中，第一晶体管1810和第二晶体管1820被配置为产生ntd输出电流i
out
。
[0092]
因此，负载电容器1842(cl＝10pf)放电所用的时间增加，并且图19中的振荡器电路1902的操作速度降低并因此散热减少。这构成负反馈回路，因为装置1900的温度的升高导致振荡器电路1902产生的热量减少。图21是示出振荡器电路1902的反相器级1800的输出电流随温度变化的曲线图，并且示出了输出电流随着振荡器电路1902的温度升高而减小。图22是示出振荡器电路1902的反相器级1800的栅极电压随温度变化的曲线图，并且示出了栅极电压随着振荡器电路1902的温度升高而降低。图23是示出振荡器电路1902的反相器级1800的开关延迟随温度变化的曲线图，并且示出了开关延迟随着温度升高而增加，导致振荡器电路1902的操作速度降低。
[0093]
现在参考图24，示出了根据本发明实施例的温度感测装置。在该实施例中，装置2400被配置为用作温度传感器，其中第二漏极处的输出电流的幅度指示第一晶体管和第二晶体管的温度。装置2400包括：电流测量单元2403，被配置为测量输出电流的幅度；以及转换单元2403，被配置为将测量的电流转换为对第一晶体管和第二晶体管的温度的测量。在本实施例中，装置2400被配置为将温度测量发送到输出设备2404。输出设备2404可以人类用户可理解的形式输出温度测量值，例如音频或视觉格式。
[0094]
尽管本文已经参照附图描述了本发明的某些实施例，但应理解，在不脱离如所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，许多变化和修改是可能的。