MOS管短溝道效應(yīng)及其行為建模 - 全文

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　　1　引　言

　　目前,實(shí)現(xiàn)微電路最常用的技術(shù)是使用MOS晶體管。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,集成電路的集成密度不斷地在提高,MOS晶體管器件的尺寸也逐年縮小, 當(dāng)MOS管的溝道長(zhǎng)度小到一定值之后,出現(xiàn)的短溝道效應(yīng)將對(duì)器件的特性產(chǎn)生影響,使其偏離傳統(tǒng)長(zhǎng)溝道MOS管的特性

　　VHDL2AMS(Analog andMixed Signal)是一種高層次的混合信號(hào)硬件描述語(yǔ)言,它不僅支持對(duì)模擬系統(tǒng)的建模和仿真,而且支持對(duì)離散系統(tǒng)及數(shù)字模擬混合系統(tǒng)的建模和仿真。它對(duì)電路系統(tǒng)的描述既可以采用結(jié)構(gòu)描述,也可以采用行為描述,即只需要描述模型的行為,而不需要聲明模型是如何實(shí)現(xiàn)的。

　　2　工作原理

　　當(dāng)MOS管溝道縮短到一定程度,就會(huì)出現(xiàn)短溝道效應(yīng),其主要表現(xiàn)在MOS管溝道中的載流子出現(xiàn)速度飽和現(xiàn)象。在MOS管溝道較長(zhǎng)、電場(chǎng)較小的情況下,載流子的速度正比于電場(chǎng),即載流子的遷移率是個(gè)常數(shù)。然而在溝道電場(chǎng)強(qiáng)度很高情況下,載流子的速度將由于散射效應(yīng)而趨于飽和。載流子速度v與電場(chǎng)的關(guān)系可用以下關(guān)系式來(lái)近似:

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　　其中μn 是遷移率, E是溝道水平方向的電場(chǎng), Ec是速度飽和發(fā)生時(shí)的臨界電場(chǎng)。溝道水平方向的電場(chǎng)取決于UDS /L,對(duì)于短溝道MOS管,由于溝道長(zhǎng)度L 比長(zhǎng)溝道MOS管小得多,因此水平方向的電場(chǎng)也相應(yīng)大得多,隨著漏源電壓UDS的增加,很快就可以達(dá)到飽和點(diǎn)。因此在分析MOS管特性時(shí),考慮到速度飽和效應(yīng),就不能沿用傳統(tǒng)長(zhǎng)溝道MOS管的電流、電壓關(guān)系式,需要對(duì)其加以修正。

　　在線性區(qū),漏極電流的公式原來(lái)為

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　　其中ID 為漏極電流, kp 為跨導(dǎo)系數(shù),W 為溝道寬度, L 為溝道長(zhǎng)度, UT 為閾值電壓, UGS和UDS分別是柵極電壓和漏極電壓。

　　對(duì)于短溝道MOS管,應(yīng)該修正為

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　　其中, K (UDS ) 因子考慮了速度飽和的因素。K(U)定義為:

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　　UDS /L 可以理解為溝道中水平方向的平均電場(chǎng),對(duì)于長(zhǎng)溝道MOS管,由于L 較大, UDS /L 比Ec 小得多,因此K (UDS ) 接近于1, 而對(duì)于短溝道MOS 管,K (UDS )通常小于1,因此產(chǎn)生的漏極電流要比通常電流公式計(jì)算的值要小。在飽和區(qū),漏極電流的公式原來(lái)為

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　　其中, K (UGS - UT )因子考慮了速度飽和的因素。在(UGS - UT ) /LEc 比1大得多的情況下, ID 與(UGS -UT )不再是長(zhǎng)溝道MOS管中的平方關(guān)系,而接近于線性關(guān)系。

　　3　基于VHDL 2AM S的MOS管建模

　　N溝道MOS管模型如圖1 所示[ 6, 7 ] , VHDL2AMS既可以針對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)描述,也可以對(duì)其進(jìn)行行為描述,即通過(guò)一些數(shù)學(xué)表達(dá)式或傳遞函數(shù)來(lái)描述對(duì)象的行為。下面用VHDL2AMS構(gòu)建短溝道MOS管行為。

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　　短溝道MOS管行為模型中,庫(kù)和程序包的調(diào)用以及接口參數(shù)定義如下:

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　　在ieee庫(kù)中,程序包electrical_ systems中定義了電子系統(tǒng)中電壓、電流、電源地等基本電路變量,程序包fundamental_constants中定義了電子電荷、波耳茲曼等一些基本常數(shù),math_real程序包則定義了各種數(shù)學(xué)運(yùn)算符等。VHDL2AMS在接口定義中列出了MOS管模型中的有關(guān)參數(shù),可以方便地進(jìn)行設(shè)置和修改。由于MOS管的VHDL2AMS模型占有較大篇幅,以下僅給出短溝道MOS管VHDL2AMS模型中與前面內(nèi)容相關(guān)的關(guān)鍵程序語(yǔ)句。

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　　以上程序中, k為增益因子

　　k = kpW /Lk_uds = = 1. 0 / (1. 0 + uds/ ( Ec3 L) ) 對(duì)應(yīng)于前述K (UDS )項(xiàng); k_udssat = = 1. 0 / (1. 0 + ( ugs2u th ) /(Ec3 L) ) 對(duì)應(yīng)于前述K (UGS - UT )項(xiàng)?？梢钥闯?在截止區(qū),漏極電流幾乎為零,在線性區(qū)和飽和區(qū),漏極電流表達(dá)式分別包含k _uds和k_udssat因子,反映了

　　短溝道效應(yīng)。此外漏極電流表達(dá)式還包含( 1. 0 +lambda3 uds)項(xiàng),其中l(wèi)ambda為溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù),反映漏極電壓對(duì)溝道長(zhǎng)度的影響。

　　4　分析與比較

　　利用混合信號(hào)仿真器SMASH5. 5, 得到VHDL2

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　　AMS描述的MOS管模型的仿真結(jié)果,如圖2所示。圖中分別給出兩個(gè)MOS管的ID2UDS特性。兩個(gè)管子是具有相同W /L 比的N溝道MOS管,各項(xiàng)參數(shù)基本相同,比如開(kāi)啟電壓UT 均為0. 5 V,主要差別在于一個(gè)是長(zhǎng)溝道(L = 10μm) MOS管, 一個(gè)是短溝道(L =0. 2μm)MOS管。上面一條特性是長(zhǎng)溝道MOS管特性,下面一條特性是短溝道MOS管特性。從圖中可看出,長(zhǎng)溝道MOS管特性曲線在UDS =UGS - UT = 2 - 0. 5 = 1. 5V處飽和,符合常理。而短溝道MOS管曲線則在UDS遠(yuǎn)低于1. 5V處就已經(jīng)提前飽和。通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)飽和點(diǎn)約為0. 5V。因此短溝道MOS管的飽和區(qū)域要比長(zhǎng)溝道MOS管更寬。

　　此外同在飽和區(qū),如當(dāng)UDS = 2V時(shí),可以看到短溝道MOS管的漏極電流只是長(zhǎng)溝道MOS管漏極電流的1 /3左右。這意味著短溝道MOS管的電流驅(qū)動(dòng)能力明顯下降。

　　5　結(jié)　論

　　對(duì)于如今的深亞微米工藝,傳統(tǒng)的長(zhǎng)溝道MOS管模型已經(jīng)不再適用。由于速度飽和因素的影響,使得短溝道MOS管在達(dá)到UGS2UT 之前已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài),因此短溝道MOS管經(jīng)歷的飽和范圍更大。短溝道MOS管的VHDL2AMS行為模型仿真結(jié)果很好地揭示了這一結(jié)論。