器件模型参数变化对mosfet特性的影响学士学位论文.docx
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器件模型参数变化对mosfet特性的影响学士学位论文
器件模型参数变化对MOSFET特性的影响
摘要
本次仿真在ADS软件下进行，模拟器件的S模型参数变化时，器件的直流特性、频率特性的变化。
仿真过程中绘制了跨导、迁移率、特征频率与器件的栅氧化层厚度、衬底掺杂浓度、快界面态密度、横向扩散长度、沟道调制系数的特性曲线，了解了这些参数变化对器件直流特性，交流特性的影响。
1、引言
MOS晶体管的发明可追溯到20世纪30年代初。
1930年，德国科学家Lilienfeld（利林费尔德）提出了场效应晶体管的概念。
之后，贝尔实验室的Shockley（肖克利）、Bardeen（巴丁）和Brattain（布拉顿）开始尝试发明场效应晶体管。
尽管这一尝试以失败告终，却最终导致Bardeen和Brattain在1947年意外地发明了点接触双极晶体管。
1949年Shockley用少子注入理论阐明了双极晶体管的工作原理，并提出了可实用化的结型晶体管概念。
1960年，Kahng和Attala在用二氧化硅（SiO2）改善双极晶体管性能的过程中意外地发明了MOS场效应晶体管（简称MOS晶体管），从此，MOS晶体管进入集成电路的制造行业，并逐渐成为了电子工业中最重要的电子器件【1】。
对于MOSFET而言，其内在矛盾很多，而其中的一个重要矛盾就是其工作频率的提高与增益的提高是不相容的，这集中就表现在它的“工作频带宽度与电压增益的乘积等于一个常数”这个关系上（该常数就是特征频率）。
由于MOSFET的上述内在矛盾限制着器件性能的进一步提高，所以在设计MOSFET时，就必须兼顾频率和增益这两个方面的要求。
本次仿真的目的就是了解这些器件的S参数变化对器件直流特性，交流特性的影响，从而在设计电路和器件时可以通过调整S参数来改善器件的特性。
2、器件模型
集成电路经历了由小规模、中规模、大规模到目前超大规模集成电路的发展，电路集成度的不断提高，主要源于半导体器件的尺寸持续缩小及生产工艺的不断进步随着集成电路规模的扩大以及工艺的不断复杂化，用手工技术或者实验的方法去完成电路的设计已经是不可能的，为了能够准确地对集成电路进行设计和分析，必需使用计算机辅助设计模拟软件，SPICE就是电路设计领域最具代表性的模拟工具。
为了适应集成电路技术与电路仿真技术的发展，SPICE在其中建立了多个级别的MOSFET模型。
电路模型指可用计算机运算的数学模型，在电路模拟程序中建立电路元器件的数学模型，是实现电路模拟的先决条件。
理论上，元器件模型应该既能反映电学特性又能适应计算机的求解计算。
但是随着元器件模型精度的提高，模型会变得愈加复杂，模型参数的数量也愈加庞大，这样在计算机实现起来就愈加困难【1】。
若单纯为了有利计算机计算而简化模型，则又会产生分析结果不精确的问题。
因
此，电路元器件模型的设计，需结合实际需求综合考虑。
一般情况下，精度和复杂度较高的器件模型常用在单管设计或元器件物理模型的研究中。
而在分析一般电路时，应该在满足一定精度要求的前提下，尽量选择利于计算机实现的简单模型。
电路模拟的精确度不仅与器件的模型有关，还和器件模型参数值的精度密切相连。
在构建器件模型时，要尽可能的使得器件参数都具有明确的物理意义，并且还要与器件工艺参数相关。
模型的参数即使无法直接与工艺参数相关，也应该能用一定的测试手段测量出来。
构建器件数学模型的方法有两种：
一种是以IBIS模型和S参数为代表的行为级模型。
此类模型不涉及器件的工作机理，只考虑器件的电学工作特性，通过测量器件端口的电气特性的方法来提取器件模型。
行为级模型优点是易于建立，便于工程设计人员理解，节约资源，模型的适用范围也很广泛等，而它们的缺点是模型精度较差，且模型的一致性与测试精度和测试技术有关。
另一种构建器件数学模型的方法是以SPICE为代表的模型，此类模型以半导体器件的工作机理为前提，从器件的数学方程式出发，所得的模型与器件的物理密切相关。
这类模型的优点是模型计算精度高，并且随着建模手段的进步和半导体工艺的发展，人们已能针对不同的精度需求来提供多种不同级别的SPICE模型。
这类模型的缺点是模型比较复杂，计算时间较长【2】。
SPICE有如下四个基本等级的MOSFET模型：
MOSl模型，一级平方率模型。
通常用于精确度相对于计算时间处于次要地位的情况，是一个以器件物理为基础的模型。
该模型只考虑了MOSFET的基本性能，适用于均匀掺杂的长沟道的半导体器件。
由于模型的计算方程简单，容易被电路设计人员理解，所以目前在手算和电路的初步模拟的时候仍有使用。
MOS2模型，二级平方率模型。
它是一个基于几何构型的模型，它在定义模型方程的过程中详细地考虑了器件的物理参数。
类似饱和速度、迁移率衰减和漏极诱导势垒降低（DIBL）这样的影响均在模型中有所反映。
其次，在这个纯粹基于物理性质的模型中，还包括了先进亚微米加工过程中的所有3D影响，这也就意味着该模型具有极高的复杂程度，因而是不可取的。
MOS2模型针对几种短沟道效应进行了修正，考虑了一些小尺寸器件产生的二级效应，但是对于亚微米MOS器件来说，模型仍然不准确。
MOS3模型，是一个采用半经验方法开发出来的模型，它主要用于解决短沟道效应和窄沟道效应。
该模型利用测量获得的器件数据来决定具体的模型参数，设计该模型的主要目的是为了克服MOS2模型在计算模拟过程中所存在的计算缺陷，采取的具体手段是将电流方程简化到更易于处理的水平上。
沟道长度在2微米的MOSFET的工作特性可以通过该模型相当精确地模拟出来。
然而，因为MOS3模型在建立过程中采用的是半经验方式，因此模型运用的均是近似的器件物理特性，并且依赖于合适地选择经验参数来保证与实验数据相吻合，所以还需要一个与真实物理特性联系更加紧密的短沟道和窄沟道MOSFET模型。
四级模型为BSIM模型，该模型的建立是以小几何构型MOS晶体管的器件物理特性为基础，同时兼顾到了弱反型和强反型这两种状态，考虑了很多器件尺寸和工艺变化效应目前应用于短沟道器件模拟的最普遍的SPICE模型就是BSIM3第3版或BSIM3v3模型，该模型在1996年被选为第一个MOSFET的标准模型，它是完全建立在物理模型的基础上的BSIM3模型由于考虑了很多效应，所以模型参数多，方程复杂。
BSIM3能够精确地模拟MOS晶体管的直流特性但也存在很多的不足，尤其是模型参数过多，不利于电路设计人员的理解和使用。
（1）Level2MOS模型——二维解析模型
阶模型所使用的等效电路和一阶模型相同，等效电路如图1，但模型计算中考虑了各种二阶效应对MOS器件漏电流及阈值电压等特性的影响。
这些二阶效应包括：
①、沟道长度对阈值电压的影响；
②、漏栅静电反馈效应对阈值电压的影响；
③、沟道宽度对阈值电压的影响；
④、迁移率随表面电场的变化；
⑤、沟道夹断引起的沟道长度调制效应；
⑥、载流子漂移速度限制而引起的电流饱和效应；
⑦、弱反型导电。
图1二级模型的等效电路
1．短沟道对阈值电压的影响
沟道长度L的减少，使衬底耗尽层的体电荷对阈值电压贡献减少。
体电荷的影响是由体效应阈值系数γ体现的，它的变化使变化。
考虑了短沟效应后的体效应系数为：
可见，当沟道长度L减小时阈值电压降低，而沟道宽度W变窄时阈值电压提高。
2．静电反馈效应
随着的增加，在漏区这一边的耗尽层宽度会有所增加，这时漏区和源区的耗尽层宽度WD和WS分别为：
，，式中，，因此修正为：
可见，由于的增加而造成的WD增加，会使阈值电压进一步下降。
3．窄沟道效应
实际的栅总有一部分要覆盖在场氧化层上（沟道宽度以外），因此场氧化层下也会引起耗尽电荷。
这部分电荷虽然很少，但当沟道宽度W很窄时，它在整个耗尽电荷中所占的比例将增大。
与没有“边缘”效应时的情况相比较，栅电压要加得较大才能使沟道反型。
这时被修正为：
4．迁移率修正
在栅电压增加时，表面迁移率率会有所下降，其经验公式为：
式中，µ0表面迁移率；Ecrit为栅-沟道的临界电场强度；Etra是横向电场系数，它表示对栅-沟道电场的影响；EEXP为迁移率下降的临界指数系数。
5．沟道长度调制效应
当增大时，MOS管的漏端沟道被夹断并进入饱和，进一步增大，该夹断点向源区移动，从而使沟道的有效长度减小，这就是沟道长度调制效应。
在考虑了沟道长度调制效应后，器件的有效沟道长度为：
式中：
6．载流子有限漂移速度引起的电流饱和
对于同样的几何尺寸比、同样的工艺和偏置，短沟道器件比起长沟道器件来讲饱和电流要小。
在MOS2模型中，引入了参数Vmax表示载流子的最大漂移速率，于是有：
7．弱反型导电
MOSFET并不是一个理想的开关，实际上当＜时在表面处就有电子浓度，也就是当表面不是强反型时就存在电流。
这个电流称为弱反型电流或次开启电流。
SPICE2中定义一个新的阈值电压VON，它标志着器件从弱反型进入强反型。
当＜VON时为弱反型，当＞VON时，为强反型。
在弱反型导电时，漏源电流方程为：
（2）模型参数的物理意义
SPICE软件在其中建立了所有半导体器件的模型，为了能准确地模拟被测电路，这里首先来介绍SPICE软件中MOS晶体管的二级模型及其模型参数表。
表1level2模型参数
参数名
惯用符号
参数说明
TOX
tox
栅氧化层厚度
PHI
强反型时的表面势
XJ
xj
源漏节深度
TPG
栅材料类型
VTO
Vto
Vbs=0时的阈值电压
DELTA
沟道调制系数
LD
LD
横向扩散长度
KP
工艺跨导系数
Uo
表面迁移率
RSH
R
漏源扩散层电阻
GAMMA
体效应系数
NSUB
Nsub
衬底掺杂浓度
NFS
表面快态密度
CJSW
CJIW
与场氧相邻处单位源．漏周长零偏压侧壁结电
MJSW
MJSW
侧壁梯度因子
MJ
Mj
衬底结梯度因子
CJ
CJ0
单位源．漏面积零偏压衬底底部结电容
本次仿真中采用的模型参数如下图2：
图2仿真的模型二的参数
3、模拟结果及讨论
（1）直流特性
1．转移特性曲线
将的电压值定为5V，通过ADS软件扫描从0到10V时的漏极电流。
得到的仿真结果如图3。
图3NMOS的转移特性曲线
可以看到，模型的阈值电压是=0.85V，而从仿真结果图上看出，当大于1V后才有电流，这可能模型中其他二级效应对阈值电压的影响。
当小于阈值电压时，ID为零时；当大于模型的阈值电压，ID随之增大。
这是由于固定后，增大栅极电压，会使MOS管的沟道中的反型电子数目增多，是的电流增加。
2．输出特性曲线
将的电压值定为5V，通过ADS软件扫描从0到10V时的漏极电流。
得到的仿真结果如图4。
图4NMOS的输出特性曲线
通过NMOS的输出特性曲线可以看出，当小于2.8V左右时，这时NMOS处于线性区，电流公式为随着的增大时，ID随之快速增大；当大于2.8V时，这是NMOS管处于饱和区，,随着增大，ID缓慢的增加。
MOS管的电流公式为，理想情况下,从公式上可以看出，当MOS管处于饱和区时，其漏电流是与无关的，在输出特性曲线上表现为ID不随增加而增大。
而实际的仿真结果是饱和区的电流在缓慢的增加，这是由于MOS管中存在着二级或三级效应【3】。
通过ADS同时扫描变化时输出特性曲线得到如图2的仿真结果图、在输出特性的扫描仿真上叠加对从0V变化到10V时的扫描，得到电流的变化曲线如图4。
图5ID-的特性曲线
图中横坐标为，从0V到10V共扫描了9条曲线。
图中的m1所在曲线为为10，m2点所在曲线为为7.7，m3点所在曲线为为5.5。
可以看出饱和区与线性区的临界值在不断的增大。
越大，电流越大，越大，电流值也越大。
3．对NMOS的影响
（1）Gm与的关
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