实验34--MOS晶体管的模型参数提取

158实验34MOS晶体管的模型参数提取MOS晶体管具有易于集成和功耗低等优点，在集成电路中有着广泛的应用。MOS晶体管模型是用于描述MOS晶体管行为的参数的集合，这些参数反映了晶体管各种电学、工艺和物理特性，来源于测量和计算。实际的工艺参数能够准确地反映在模型中，精确的器件模型是进行集成电路设计与分析的基本前提和重要基础，是不可或缺的。本实验要求学生在理解MOS晶体管大信号和小信号行为的基础上，通过使用Excel软件对MOS晶体管的主要模型参数进行计算，并根据给定工作条件完成各MOS晶体管的等效电路建立。一、实验原理1.阈值电压TVMOS晶体管形成反型沟道所需要施加的栅源电压称为阈值电压。MOS晶体管阈值电压由三部分构成，首先形成沟道下方耗尽层电荷稳定存储所需施加的电压)]/(2[OXbfCQ，其次克服栅材料与衬底材料间的功函数差异所需施加的电压ms，第三克服栅氧化层中正电荷SSQ的影响所需施加的电压OXSSCQ/。典型的增强型N沟道MOS晶体管具有图34.1所示纵向结构。当栅极施加正偏压时，N型沟道产生，栅氧化层下方经历由P型掺杂变为耗尽再变为N型的过程，硅表面势由原始负值(fS)，增加到零(0S)，再到正值(fS)，这一现象称为反型。费米能级f的定义为：]ln[iXfnNqkT(34-1)式中，XN是掺杂浓度，N型为DN，P型为AN，q是电子电量，k是玻尔兹曼常数，in是本征载流子浓度。对于费米能级f，当半导体为N型掺杂时取正号，P型掺杂时取负号。当源漏两端不加偏压时，随着栅极电压的增大，产生的反型层逐渐变厚，不加衬底偏置电压时，反型层下方的耗尽层厚度不随栅源之间偏置电压的增加而变图34.1典型NMOS纵向结构图159化，形成了稳定的耗尽层电荷密度boQ，N沟器件为负，P沟器件为正，以NMOS为例，其表达式为：fSiAboqNQ22(34-2)当存在衬底反向偏置电压BSV（N沟器件为负）时，形成反型层需要表面势变化SBfV2，耗尽层存储的电荷密度bQ为：)22SBfSiAbVqNQ(34-3)综上所述，NMOS晶体管阈值电压TV可以采用下式描述：OXSSOXbfmsTCQCQV2(34-4)OXbbOXSSOXbfmsTCQQCQCQV002(34-5))22(0fSBfTTVVV(34-6)OXSSOXbfmsTCQCQV002(34-7)栅衬底ffms(34-8)OXsisubCqN/2(34-9)式中，0TV是0SBV时的阈值电压，也称为零阈值电压，称为体阈值参数，用于描述衬底偏压不为零时对阈值电压的影响，OXC称为单位面积电容，可以采用下式计算：OXrOXOXOXttC0(34-10)式中，0为真空介电常数，r为SiO2材料的相对介电常数，OXt为栅氧化层厚度。2.MOS晶体管漏电流DINMOS晶体管的工作情况如下：截止区：当0TNGDVV且0TNGSVV时，漏电流0DI。饱和区：当DSTNGSVVV0时，晶体管源极一侧沟道开启，漏极一侧沟道夹断，此时漏电流DI为：)1()(2)1()(222DSTNGSeffeffpDSTNGSDVVVLWkVVVI(34-11)式中，、pk称为跨导参数，effW、effL分别为器件沟道有效宽度和有效长度，160为沟道长度调制参数，反映沟道长度随偏压而改变对漏电流的影响。跨导参数可以采用下式计算：)/()()/()(0DDOXDDPLLWWCLLWWK(34-12)OXPCK0(34-13)式中，DW为场区氧化向源漏区横向侵蚀长度，DL为源漏区杂质向沟道的横向扩散长度。非饱和区：当TNGSDSVVV0时，晶体管两侧沟道均开启，此时漏电流DI为：])(2)[2/(2DSDSTNGSDVVVVI(34-14)PMOS晶体管的工作情况如下：截止区：当0TPDGVV且0TPSGVV时，漏电流0DI。饱和区：当SDTPSGVVV0时，晶体管源极一侧沟道开启，漏极一侧沟道夹断，此时漏电流DI为：)1()(2)1()(222SDTPSGeffeffpSDTPSSDVVVLWkVVVI(34-15)非饱和区：当TPSGSDVVV0时，晶体管两侧沟道均开启，此时漏电流DI为：])(2)[2/(2SDSDTPSGDVVVVI(34-16)3.大信号模型NMOS晶体管完整的大信号模型如图34.2所示，其中漏电流Di与前面讲述内容一致，模型中还包括了源极、漏极与衬底间寄生结电容，源、漏串联电阻等。图34.2中，Dr、Sr为源极、漏极欧姆接触电阻，这些电阻的典型值为50～100Ω，其值较小可以忽略；二极管表示源区与衬底和漏区与衬底之间的PN结，为使晶体管能够正常工作，这些二极管必须始终反偏，在直流模型中主要用来模拟泄漏电流；BSC和BDC为源-体和漏-体电容，属于PN结结电容，其大小与源-体和漏-体之间耗尽层上的反向偏置电压有关；GSC、GDC和GBC为栅-源、栅-漏和栅-体交叠电容，属于平行板电容，其大小依赖于栅极尺寸和晶体管工作条件。二极管电流：二极管泄漏电流可以表示为：]1)[exp(kTqvIiBDSBD(34-17)]1)[exp(kTqvIiBSSBS(34-18)161其中，BSv和BDv为源-体和源-漏反偏压，SI为PN结的反向饱和电流，其表达式为：][][200AppDnnipnpnpnSNLDNLDqAnLpDLnDqAI(34-19)式中，A为PN结面积，0pn和0np为PN结P区耗尽层边界处电子浓度和N区耗尽层边界处空穴浓度，nD和pD为电子和空穴的扩散系数，nL和pL为电子和空穴的扩散长度，DN和AN为施主和受主杂质浓度，in为本征载流子浓度。耗尽层电容参数BXC：PN结耗尽区形成的电容称为耗尽层电容，它是由结附近没有被中和的固定电荷形成并随着外加电压的变化而变化。耗尽层电容JC可以按下式计算：mDJmDDADASiDJJvCvNNNqNAdvdQC)]/(1[)(1)(20002/1(34-20)式中，JQ为耗尽区电荷密度，A为PN结结面积，AN、DN为P区和N区掺杂浓度，Si为硅材料介电常数，0为半导体材料表面势，Dv为PN结偏置电压，m为梯度系数介于1/2~1/3之间，突变结为1/2，线性缓变结为1/3，0JC是0Dv时的耗尽层电容，可以表示为：mDADASiJNNNqNAC02/101)(2(34-21)耗尽层电容是PN结上电压的函数，在大注入作用下，可以分解为两个区域进行计算。图34.3给出了耗尽结电容示意图，这个电容就好像一个盆，它的底面积与源区以及漏区一样大，存在一些侧面，这些侧面也属于耗尽区，对电容也有贡献，这些侧面称为周边，当偏置电压不同时，周边对电容的贡献不同，需要加以区分。耗尽层电容表达式为：))((,11PBFCvPBvPCPBvACCBXMBXXJSWMBXXJBXJSWJ(34-22)图34.2NMOS管的完整大信号模型162))((,)1(1)1()1(1)1(11PBFCvPBvMFCMFCPCPBvMFCMFCACCBXBXJSWJSWMXJSWBXJJMXJBXJSWJ(34-23)式中，X对于BDC是D，对于BSC是S，XA为源区或漏区面积，XP为源区或漏区周长，JC零偏置PN结单位面积电容，JSWC为零偏置时的衬底源/漏区单位线电容，PB为体结电势，JM为体结变容指数，JSWM为衬底源/漏区周边变容指数，突变结为2/1，缓变结为3/1，FC为正偏非理想结电容系数，一般可取0.5。图34.3体结电容的底面(ABCD)和周边（ABFE＋BCGF＋DCGH＋ADHE）栅寄生电容参数GXC：电容GSC、GDC和GBC随着MOS晶体管的工作状态变化而变化，对应于MOS管各种工作状态下，各个电容参数计算公式总结如下：截至区：effGBOeffeffOXGBLCLWCC(34-24a)effGSOeffDOXGSWCWLCC(34-24b)effGDOeffDOXGDWCWLCC(34-24c)饱和区：effGBOGBLCC(34-25a)effeffOXeffGSOGSLWCWCC67.0(34-25b)effGDOeffDOXGDWCWLCC(34-25c)非饱和区：effGBOGBLCC(34-26a)effeffOXeffGSOGSWLCWCC5.0(34-26b)effeffOXeffGDOGDWLCWCC5.0(34-26c)163在上述式中，GDC和GSC是由于横向扩散导致栅极与源、栅极与漏之间形成交叠电容，GDOC和GSOC分别为栅-漏和栅-源的单位长度线电容，GBC是由于场区氧化导致栅极与衬底间存在电容效应，GBOC是相应的单位长度线电容。effW和effL为沟道有效宽度和有效长度，可以采用下式计算：Deff(34-27a)DeffLLL2(34-27b)式中，DW和DL的定义与前面讲述的一致。4.小信号模型图34.4给出了MOS管线性化小信号模型。小信号模型的参数使用小写的下标来标识。小信号模型的这些参数与大信号模型参数和直流变量有关，两个模型间的正常关系是假定小信号参数是以大信号变量的增量比或者一个大信号变量对另一个的偏微分定义的。图中给出了源-体、漏-体PN结的等效电导bsg和bdg，这些PN结均处于反偏，电导均较小可以忽略，图中还给出了沟道电导mg、bsgm和sgd，这些电导的定义如下：0静态工作点处求值BDBDbdvig(34-28a)0静态工作点处求值BSBSbsvig(34-28b)静态工作点处求值GSDmvig(34-28c)静态工作点处求值BSDmbsvig(34-28d)静态工作点处求值DSDdsvig(34-28e)饱和区：)(TGSmVVg(34-29a)图34.4MOS管小信号模型164mSBfmmbsgVgg2/1)2(2(34-29b)2)(2TGSDdsVVIg(34-29c)非饱和区：DSmVg(34-30a)2/1)2(2SBfDSmbsVVg(34-30b))(DSTGSdsVVVg(34-30c)4.特征频率Tf对于MOS晶体管，特征频率是指晶体管源极短路，共源电流增益下降为1时的工作频率。图34.5(a)给出了NMOS用于计算特征频率Tf的共源短路电路，图34.5(b)为对应等效电路。由于0dssbVV，bsgm、sgd、bdC和bsC均不影响对Tf的计算，所以被忽略了。小信号输入电流ii可以表示为：gsgdgbgsivCCCji)((34-31)忽略电流通过电容gdC的前馈有，gsmvgi0(34-32)共源电流增益为：)(0gdgbgsmCCCjgii(34-33)所以特征频率为：gdgbgsmTTCCCgf212(34-34)(a)(b)图34.5NMOS共源短路电路及其等效电路二、实验内容1.根据给定的N+多晶硅栅CMOS工艺参数，使用Excel表格完成给定MOS165晶体管零偏阈值电压的计算，并记录相关数据；2.根据给定的晶体管参数和工作条件，使用Excel表格计算晶体管大信号电流和寄生二极管泄漏电流，并记录相关数据；3.根据给定的晶体管参数和工作条件，使用Excel表格计算晶体管栅交叠电容，并记录相关数据；4.根据给定的晶体管参数和工作条件，使用Excel表格计算晶体管小信号跨导和特征频率，并记录相关数据。三、实验思考题1.在MOS晶体管输出特性曲线中，饱和区和非饱和区的