实验34 MOS晶体管的模型参数提取.doc

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
MOS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，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，第三克服栅氧化层中正电荷的影响所需施加的电压。
图34.1典型NMOS纵向结构图
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()，增加到零()，再到正值()，这一现象称为反型。费米能级的定义为：
(34-1)
式中，是掺杂浓度，N型为，P型为，是电子电量，是玻尔兹曼常数，是本征载流子浓度。对于费米能级，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化，形成了稳定的耗尽层电荷密度，N沟器件为负，P沟器件为正，以NMOS为例，其表达式为：
(34-2)
当存在衬底反向偏置电压（N沟器件为负）时，形成反型层需要表面势变化，耗尽层存储的电荷密度为：
(34-3)
综上所述，NMOS晶体管阈值电压可以采用下式描述：
(34-4)
(34-5)
(34-6)
(34-7)
(34-8)
(34-9)
式中，是时的阈值电压，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，称为单位面积电容，可以采用下式计算：
(34-10)
式中，为真空介电常数，为SiO2材料的相对介电常数，为栅氧化层厚度。
2.MOS晶体管漏电流
NMOS晶体管的工作情况如下：
截止区：当且时，漏电流。
饱和区：当时，晶体管源极一侧沟道开启，漏极一侧沟道夹断，此时漏电流为：
(34-11)
式中，、称为跨导参数，、分别为器件沟道有效宽度和有效长度，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：
(34-12)
(34-13)
式中，为场区氧化向源漏区横向侵蚀长度，为源漏区杂质向沟道的横向扩散长度。
非饱和区：当时，晶体管两侧沟道均开启，此时漏电流为：
(34-14)
PMOS晶体管的工作情况如下：
截止区：当且时，漏电流。
饱和区：当时，晶体管源极一侧沟道开启，漏极一侧沟道夹断，此时漏电流为：
(34-15)
非饱和区：当时，晶体管两侧沟道均开启，此时漏电流为：
(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，、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；和为源-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；、和为栅-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：
(34-17)
(34-18)
其中，和为源-体和源-漏反偏压，为PN结的反向饱和电流，其表达式为：
(34-19)
图34.2NMOS管的完整大信号模型
式中，为PN结面积，和为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，和为电子和空穴的扩散系数，和为电子和空穴的扩散长度，和为施主和受主杂质浓度，为本征载流子浓度。
耗尽层电容参数：
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。耗尽层电容可以按下式计算：
(34-20)
式中，为耗尽区电荷密度，为PN结结面积，、为P区和N区掺杂浓度，为硅材料介电常数，为半导体材料表面势，为PN结偏置电压，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，是时的耗尽层电容，可以表示为：
(34-21)
耗尽层电容是PN结上