實(shí)驗(yàn)34--MOS晶體管的模型參數(shù)提取

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上實(shí)驗(yàn)34 MOS晶體管的模型參數(shù)提取MOS晶體管具有易于集成和功耗低等優(yōu)點(diǎn)，在集成電路中有著廣泛的應(yīng)用。MOS晶體管模型是用于描述MOS晶體管行為的參數(shù)的集合，這些參數(shù)反映了晶體管各種電學(xué)、工藝和物理特性，來源于測(cè)量和計(jì)算。實(shí)際的工藝參數(shù)能夠準(zhǔn)確地反映在模型中，精確的器件模型是進(jìn)行集成電路設(shè)計(jì)與分析的基本前提和重要基礎(chǔ)，是不可或缺的。本實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生在理解MOS晶體管大信號(hào)和小信號(hào)行為的基礎(chǔ)上，通過使用Excel軟件對(duì)MOS晶體管的主要模型參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)給定工作條件完成各MOS晶體管的等效電路建立。一、實(shí)驗(yàn)原理1. 閾值電壓MOS晶體管形成反型溝道所需要施加的柵源

2、電壓稱為閾值電壓。MOS晶體管閾值電壓由三部分構(gòu)成，首先形成溝道下方耗盡層電荷穩(wěn)定存儲(chǔ)所需施加的電壓，其次克服柵材料與襯底材料間的功函數(shù)差異所需施加的電壓，第三克服柵氧化層中正電荷的影響所需施加的電壓。圖34.1 典型NMOS縱向結(jié)構(gòu)圖典型的增強(qiáng)型N溝道MOS晶體管具有圖34.1所示縱向結(jié)構(gòu)。當(dāng)柵極施加正偏壓時(shí)，N型溝道產(chǎn)生，柵氧化層下方經(jīng)歷由P型摻雜變?yōu)楹谋M再變?yōu)镹型的過程，硅表面勢(shì)由原始負(fù)值()，增加到零()，再到正值()，這一現(xiàn)象稱為反型。費(fèi)米能級(jí)的定義為： (34-1)式中，是摻雜濃度，N型為，P型為，是電子電量，是玻爾茲曼常數(shù)，是本征載流子濃度。對(duì)于費(fèi)米能級(jí)，當(dāng)半導(dǎo)體為N型摻雜時(shí)取正

3、號(hào)，P型摻雜時(shí)取負(fù)號(hào)。當(dāng)源漏兩端不加偏壓時(shí)，隨著柵極電壓的增大，產(chǎn)生的反型層逐漸變厚，不加襯底偏置電壓時(shí)，反型層下方的耗盡層厚度不隨柵源之間偏置電壓的增加而變化，形成了穩(wěn)定的耗盡層電荷密度，N溝器件為負(fù)，P溝器件為正，以NMOS為例，其表達(dá)式為： (34-2)當(dāng)存在襯底反向偏置電壓（N溝器件為負(fù)）時(shí)，形成反型層需要表面勢(shì)變化，耗盡層存儲(chǔ)的電荷密度為： (34-3)綜上所述，NMOS晶體管閾值電壓可以采用下式描述： (34-4) (34-5) (34-6) (34-7) (34-8) (34-9)式中，是時(shí)的閾值電壓，也稱為零閾值電壓，稱為體閾值參數(shù)，用于描述襯底偏壓不為零時(shí)對(duì)閾值電壓的影響，稱

4、為單位面積電容，可以采用下式計(jì)算： (34-10)式中，為真空介電常數(shù)，為SiO2材料的相對(duì)介電常數(shù)，為柵氧化層厚度。2. MOS晶體管漏電流NMOS晶體管的工作情況如下：截止區(qū)：當(dāng)且時(shí)，漏電流。飽和區(qū)：當(dāng)時(shí)，晶體管源極一側(cè)溝道開啟，漏極一側(cè)溝道夾斷，此時(shí)漏電流為： (34-11)式中，、稱為跨導(dǎo)參數(shù)，、分別為器件溝道有效寬度和有效長度，為溝道長度調(diào)制參數(shù)，反映溝道長度隨偏壓而改變對(duì)漏電流的影響?？鐚?dǎo)參數(shù)可以采用下式計(jì)算： (34-12) (34-13)式中，為場(chǎng)區(qū)氧化向源漏區(qū)橫向侵蝕長度，為源漏區(qū)雜質(zhì)向溝道的橫向擴(kuò)散長度。非飽和區(qū)：當(dāng)時(shí)，晶體管兩側(cè)溝道均開啟，此時(shí)漏電流為： (34-14)P

5、MOS晶體管的工作情況如下：截止區(qū)：當(dāng)且時(shí)，漏電流。飽和區(qū)：當(dāng)時(shí)，晶體管源極一側(cè)溝道開啟，漏極一側(cè)溝道夾斷，此時(shí)漏電流為： (34-15)非飽和區(qū)：當(dāng)時(shí)，晶體管兩側(cè)溝道均開啟，此時(shí)漏電流為： (34-16)3. 大信號(hào)模型NMOS晶體管完整的大信號(hào)模型如圖34.2所示，其中漏電流與前面講述內(nèi)容一致，模型中還包括了源極、漏極與襯底間寄生結(jié)電容，源、漏串聯(lián)電阻等。圖34.2中，、為源極、漏極歐姆接觸電阻，這些電阻的典型值為50100，其值較小可以忽略；二極管表示源區(qū)與襯底和漏區(qū)與襯底之間的PN結(jié)，為使晶體管能夠正常工作，這些二極管必須始終反偏，在直流模型中主要用來模擬泄漏電流；和為源-體和漏-體電

6、容，屬于PN結(jié)結(jié)電容，其大小與源-體和漏-體之間耗盡層上的反向偏置電壓有關(guān)；、和為柵-源、柵-漏和柵-體交疊電容，屬于平行板電容，其大小依賴于柵極尺寸和晶體管工作條件。二極管電流：二極管泄漏電流可以表示為： (34-17) (34-18)其中，和為源-體和源-漏反偏壓，為PN結(jié)的反向飽和電流，其表達(dá)式為： (34-19)圖34.2 NMOS管的完整大信號(hào)模型式中，為PN結(jié)面積，和為PN結(jié)P區(qū)耗盡層邊界處電子濃度和N區(qū)耗盡層邊界處空穴濃度，和為電子和空穴的擴(kuò)散系數(shù)，和為電子和空穴的擴(kuò)散長度，和為施主和受主雜質(zhì)濃度，為本征載流子濃度。耗盡層電容參數(shù)：PN結(jié)耗盡區(qū)形成的電容稱為耗盡層電容，它是由結(jié)附

7、近沒有被中和的固定電荷形成并隨著外加電壓的變化而變化。耗盡層電容可以按下式計(jì)算： (34-20)式中，為耗盡區(qū)電荷密度，為PN結(jié)結(jié)面積，、為P區(qū)和N區(qū)摻雜濃度，為硅材料介電常數(shù)，為半導(dǎo)體材料表面勢(shì)，為PN結(jié)偏置電壓，為梯度系數(shù)介于1/21/3之間，突變結(jié)為1/2，線性緩變結(jié)為1/3，是時(shí)的耗盡層電容，可以表示為： (34-21)耗盡層電容是PN結(jié)上電壓的函數(shù)，在大注入作用下，可以分解為兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行計(jì)算。圖34.3給出了耗盡結(jié)電容示意圖，這個(gè)電容就好像一個(gè)盆，它的底面積與源區(qū)以及漏區(qū)一樣大，存在一些側(cè)面，這些側(cè)面也屬于耗盡區(qū)，對(duì)電容也有貢獻(xiàn)，這些側(cè)面稱為周邊，當(dāng)偏置電壓不同時(shí)，周邊對(duì)電容的貢獻(xiàn)不

8、同，需要加以區(qū)分。耗盡層電容表達(dá)式為： (34-22)(34-23)式中，對(duì)于是，對(duì)于是，為源區(qū)或漏區(qū)面積，為源區(qū)或漏區(qū)周長，零偏置PN結(jié)單位面積電容，為零偏置時(shí)的襯底源/漏區(qū)單位線電容，為體結(jié)電勢(shì)，為體結(jié)變?nèi)葜笖?shù)，為襯底源/漏區(qū)周邊變?nèi)葜笖?shù)，突變結(jié)為，緩變結(jié)為，為正偏非理想結(jié)電容系數(shù)，一般可取0.5。圖34.3 體結(jié)電容的底面(ABCD)和周邊（ABFEBCGFDCGHADHE）柵寄生電容參數(shù)：電容、和隨著MOS晶體管的工作狀態(tài)變化而變化，對(duì)應(yīng)于MOS管各種工作狀態(tài)下，各個(gè)電容參數(shù)計(jì)算公式總結(jié)如下：截至區(qū)： (34-24a) (34-24b) (34-24c)飽和區(qū)： (34-25a) (3

9、4-25b) (34-25c)非飽和區(qū)： (34-26a) (34-26b) (34-26c)在上述式中，和是由于橫向擴(kuò)散導(dǎo)致柵極與源、柵極與漏之間形成交疊電容，和分別為柵-漏和柵-源的單位長度線電容，是由于場(chǎng)區(qū)氧化導(dǎo)致柵極與襯底間存在電容效應(yīng)，是相應(yīng)的單位長度線電容。和為溝道有效寬度和有效長度，可以采用下式計(jì)算： (34-27a) (34-27b)式中，和的定義與前面講述的一致。圖34.4 MOS管小信號(hào)模型4. 小信號(hào)模型圖34.4給出了MOS管線性化小信號(hào)模型。小信號(hào)模型的參數(shù)使用小寫的下標(biāo)來標(biāo)識(shí)。小信號(hào)模型的這些參數(shù)與大信號(hào)模型參數(shù)和直流變量有關(guān)，兩個(gè)模型間的正常關(guān)系是假定小信號(hào)參數(shù)是

10、以大信號(hào)變量的增量比或者一個(gè)大信號(hào)變量對(duì)另一個(gè)的偏微分定義的。圖中給出了源-體、漏-體PN結(jié)的等效電導(dǎo)和，這些PN結(jié)均處于反偏，電導(dǎo)均較小可以忽略，圖中還給出了溝道電導(dǎo)、和，這些電導(dǎo)的定義如下： (34-28a) (34-28b) (34-28c) (34-28d) (34-28e)飽和區(qū)： (34-29a) (34-29b) (34-29c)非飽和區(qū)： (34-30a) (34-30b) (34-30c)4. 特征頻率對(duì)于MOS晶體管，特征頻率是指晶體管源極短路，共源電流增益下降為1時(shí)的工作頻率。圖34.5(a)給出了NMOS用于計(jì)算特征頻率的共源短路電路，圖34.5(b)為對(duì)應(yīng)等效電路。由

11、于，、和均不影響對(duì)的計(jì)算，所以被忽略了。小信號(hào)輸入電流可以表示為： (34-31)忽略電流通過電容的前饋有， (34-32)共源電流增益為： (34-33)所以特征頻率為： (34-34)(a) (b)圖34.5 NMOS共源短路電路及其等效電路二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 根據(jù)給定的N+多晶硅柵CMOS工藝參數(shù)，使用Excel表格完成給定MOS晶體管零偏閾值電壓的計(jì)算，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)；2. 根據(jù)給定的晶體管參數(shù)和工作條件，使用Excel表格計(jì)算晶體管大信號(hào)電流和寄生二極管泄漏電流，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)；3. 根據(jù)給定的晶體管參數(shù)和工作條件，使用Excel表格計(jì)算晶體管柵交疊電容，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)；4. 根據(jù)給定的晶體管參數(shù)和工作條件，使用Excel表格計(jì)算晶體管小信號(hào)跨導(dǎo)和特征頻率，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。三、實(shí)驗(yàn)思考題1. 在MOS晶體管輸出特性曲線中，飽和區(qū)和非飽和區(qū)的差別是什么，曲線平行部分上翹原因是什么，這些情況與NPN晶體管是否一致，存在哪些差別？2. 解釋閾值電壓的物理學(xué)含義，柵氧化層正電荷產(chǎn)生的主要原因是什么？3. 在模擬集成電路中，制作200pF的電容是否可行，采用MOS晶體管的寄生電容實(shí)現(xiàn)是否合理，解釋原因，需