MOS晶体管的阈值电压不匹配特性
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电子科技 2 0 0 7年第5期(总第2 1 2期)M O S晶体管的阈值 电压不匹配特性 刁冬梅,杨银堂,朱樟明 (西安电子科技大学 微电子研究所,陕西西安7 1 0 0 7 1)摘要集成电路中器件的匹舀 己 陛对于模拟电路和数字电路的设计有着很重要的影响,而现在重要的是还 缺乏精确的器件匹配的模型。在模拟集成电路设计中,M O S管阈值 电压的匹配特性对集成电路尤其是电流 的 大小有着重要的影响。基于短沟道 系列模 型,M O S氧化层中的固定电荷和杂质原子服从泊松分布,分析 了 N MO S和 P M O S器件不匹配的物理原因,并验证o r V r 遵循与 1 a r e a 成比例的结论。关键词集成 电路;不匹配;阈值 电压;MO S 中图分 类号T N 4 0 2 M i s ma t c h Ch a r a c t e r i z a t i o n o f M OS Tr a n s i s t o r Th r e s h o l d Vo l t a g e Di a o Do n g me i,Ya n g Yi n t a n g,Z h u Zh a n g mi n g (M i c r o e l e c t r o n i c s I n s t i t u t e,X i d i a n U n i v e r s i t y,X i a n 7 1 0 0 7 1,C h i n a)Ab s t r a c t I C d e v i c e ma t c h i n g h a v e a g r e a t i n flu e n c e o n t h e d e s i g n o f a n a l o g c i r c u i t s an d d i g i t al c i r c u i t s Th e p r o b l e m n o w i s t h e l a c k o f a p r e c i s e d e v i c e ma t c h i n g mo d e 1 I n an alo g i n t e gra t e d c i r c u i t d e s i gn,t h e c h a r-a c t e r i s t i c s o f MOS F E T t h r e s h o l d v o l t a g e ma t c h i n g are o f gre a t i mp o r t a n c e t o t h e i n t e gra t e d c i r c u i t e s p e c i all y t h e c u r r e n t I d s Ba s e d o n t h e s h o rt c h a n n e l s e ri e s mo d e l,i n wh i c h t h e fix e d o x i d e c h arg e an d i mp u rit y a t o ms o b e y Po i s s o n d i s t rib u t i o n,t h e p h y s i c al c a u s e s o f mi s ma t c h are d i s c u s s e d i n d e t a i l f o r b o t h Pan d nc h a n n e l d e v i c e s,and i t i s v e ri fi e d t h a t t h e m e a s u r e d r e l a t i v e s t and ar d d e v i a t i o n o f t h e t h r e s h o l d v o l t a g e(o r )i s p r o p o rti o n al t o are a一1 2 Ke y wo r d s i n t e gra t e d c i r c u i t s;mi s ma t c h;t h r e s h o l d v o l t a g e;MOS 器件的匹配性对 于模拟集成 电路 的设计有着 重要的影响,阈值电压 是 M O S晶体管的一个重 要的电学参 数,也是 制 造工 艺 中的 重要 控 制 参 数。的大小以及一致性对 电路乃至集成 系统 的性能具有决定性的影响。由于阈值电压 是决 定M O S F E T 否导通 的临界栅 源 电压,因此它是 收稿 日期:2 0 0 6-0 9-0 6 基金项 目:国家自然科学基金资助项目(6 0 4 7 6 0 4 6)作者简介:刁冬梅(1 9 8 1 一),女,硕士研究生。研究方向:集成 电路的不 匹配性研 究 以及 高速 低功耗 D A C的设计。杨 银堂(1 9 6 2一),男,副校长,教授,博士生导师。研究方 向:V L S I 技术,深亚微米模拟集成电路及新型半导体器件 研究。朱樟明(1 9 7 8一),男,博士研 究生。研 究方向:模 拟 集成 电路 高层次设计,高速 D AC设计。M O S的重要参数。的匹配性对于整个电路的设 计有很重要的意义。M O S阈值电压 是金属栅下 面的半导体表面呈现强反型,从而出现导电沟道 时所 需加 的栅源 电压。由于 刚出现强 反型 时,表面沟道 中的导 电电子很 少,反型层 的导 电能力 较弱,因此漏 电流也 比较小。在 实际使用 中往往 规定漏 电流达到某一值时的栅源电压为阈值 电 压。同时,从使用角度讲,阈值电压 的绝对 值小一些较好。本文主要讨论阈值电压的不匹配 特性。1 M O S晶体管阈值电压不匹配的机理 晶体管的阈值电压可以表示为=咖 +2 咖 +Q B一+q D1 (1)维普资讯 http:/ MO S晶体 管的阈值 电压不 匹配特性 其中 是功函数差,是费米势,Q 是表面耗 尽层 电荷 密度,Q,是 固定 氧 化层 电荷 密 度,D 是阈值调节注入量,c是每单位面积的栅氧电容。费米势 依靠于衬底掺杂,依靠于衬底和多 金属栅的掺杂。因此,可以认为这些是常量,对 不匹配 的影 响不是很 大。要 测 出阈值 电压 如 何变化,只需测 出(1)式右边各个项是如何变 化的。氧化层 中的固定 电荷 服从 泊松 分布 J,因此 它的变化可以表示为 2 q Q,、Q r 面 z 其 中 是沟道 的有 效长度,是沟道 的有效 宽度。每单位面积的耗尽层电荷 Q 也是依靠于杂质 原子分布 的一个 随机变量,实验给出的测试结果 和等式(3)中的有很大不同。(3)式中认为 Q 是一 个常量,而事实上杂质原子不是均匀地分配在 M O S 器件中,但衬底中的杂质服从泊松分布。满 足?白 松分布的随机变量标准偏差的平方等于它的 平均值 。在硅中每单位体积的原子数量是 5 X 1 0 ,只有小部分区域被杂质原子所占领,非重叠 量区域 中杂质原子 的数量是独立 的。而且对 于足 够小的区域,在其中找到一个掺杂原子的概率和 其体积大小成比例,且找到多于一个原子的概率 可以忽略。因此认为杂质原子服从泊松分布,Q 变化可表现为 2 一,一 !,一4 同样认为注入的杂质离子也服从泊松分布。D,的变化可以表现为 2 D,DI 根据氧化 层厚度和 电容率 的变化,定 C的变化,可以表现为 A C 一LW(4)就 可 以确(5)通过测试可以确定参数 A 。随机变量 Q,、Q D,和 C是独立变化的,因 此 的变化可 以表示为=刍(2+q 2 2)+2(2+2+警)(6)综合可得 2仃 丽1 q(Q +Q,+q D,)+A (Q +q 2 )(7)2 M O S晶体管阈值电压不匹配特性 基于 B S I M3 V 3系列模型,采用 N MO S和 P MO S 器件,只需通过一些软件来测试(1)式右边的变 化,在测试的技术中阈值电压的调整只有在 P MO S 晶体管中才能实现 。在 N M O S 器件中,q D,=0 1 每单位面积的耗尽层电荷是 Q B=7 7 X1 0 C c m (8)在阱控制技术 中,固定 氧化层 电荷数量可 以 降为 2 X 1 0 m c m ,于是得到 Q,=3 2 X 1 0 C c m (9)比较(8)和(9),可 以推测固定 氧化层 电荷的 变化对 于 阈值 电压 不 匹配 的影 响 很小 甚 至可 以 忽略。根据一 系列 的测量数据,本文绘制 出 阈值 电 压相对标准差()和有效沟道面积平方根的倒数()关系的图像,如图 1和图2所示。通过测 0 L W 试器件中 6个不 同的 仡 的值,以 作为一个变 量来表现它们的变化,绘制出曲线。(1 L1 0 )c m 图 1 闽值 电压不 匹配扣 N沟道形状的关 系 2 2 E l e c t r o n i c S c i T e c h Ma y 1 52 0 0 7 2 0 8 6 4 2 0 1 1 0 0 0 0 0 维普资讯 http:/ MO S晶体管的阈值电压不匹配特性 2 (1 t Ll 0 2)c m 图2阈值 电压不 匹配和 P沟道 形状 的关 系 通过统计分析可以得到,例如 W L=6 3 m 的器件中阈值电压的变化分布区间是在 3 6 4 8 m V。造成这种分布的部分原因是硅片间技术 的变化,或者是 由于电子器 件 匹配的独立性,在 硅片的不 同部分或者在不 同的硅 片 中,可 以测量 有效沟道的长度和宽度。测试数据线和根据等式(7)而得到的理论线能够很好 的符合,推测 N MO S 器件(2 5 7 6 5 x1 0-l Z+1 2 3 2 M“)1 2 V r (1 0)把图 1中直线的斜率和(1 4)相 比较,可以 得到 A =6 4 6 8 1 1 0一 H c m (1 1)通过(4)可以得到,对于 2 4 6 1 L m 的栅 c C =0 021 对于 P M O S 器件,当阈值调节注入量比较小时 大部分注入粒子保留 在栅氧中。然而与N沟道 器件相比,氧化层中杂质原子的存在使 P沟道中 电容匹配性降低(Q =4 8 1 0 1 0 C c m ,q D。=8 0 1 0 C c m )。因此 Q,对阈值电压不匹配的 影响可以忽略,(7)可以写成(4 2 8 7 5 x 1 0-1 2+1 8 5 1 3 )1 2 V r (1 2)由于阈值调节的注人,因此(1 2)中的数字参 数比(1 0)中数字参数大表明了 P沟道有更大的不 匹配性。可 以认为 由于表 面 中不 同的杂质,表 面 浓度度发生大的变化。图中显示的绘出了 P沟道设备 中阈值电压的 不匹配线,数据 与理论 直线有很好 的匹配,可 以 得到 A =3 0 3 5 81 0 c m (1 3)比较(1 1)式和(1 3)式,可以验证 P沟道栅氧 电容匹配性比 N沟道的差。3 结束语 本文通过研究,总结了 M O S晶体管阈值电压 不匹配性的特点,验证了阈值电压不匹配与 沟道有效面积平方根的关系,以及其他一些 结论:(1)在阱控制技术 中,氧化层固定电荷 的不平 均分配对阈值电压不匹配的影响很小;(2)衬底中杂质原子的不平均分配是影响阈值 电压不匹配的一个重要因素,原子泊松分配的假 设与验证 的结论一致。衬底掺杂浓度是一个重要 的参数,衬底掺杂浓度越低,器件的阈值电压数 值将越小,反之则阈值电压值越高。其实对于一 个成熟稳定的工艺和器件基本结构,器件阈值电 压的调整,主要通过改变衬底掺杂浓度或衬底表 面掺杂浓度进行。衬底表面掺杂浓度的调整是通 过离子注入杂质离子进行。(3)采用阈值调节技术的器件的表面有不同的 杂质分配,因此它的阈值 电压有很大的匹配性,这就是 P沟道设备的不匹配性比N沟道晶体管大 的主要原因。(4)栅氧电容是相同的(作者认为栅氧化层厚 度相同),因此对阈值 电压的影响几乎没影响。然 而在 N沟道和 P沟道晶体管中,后者栅氧电容有 较差的匹配性,这主要是在栅氧阈值调节注入中 分配不平均的结果。可见在制造集成电路的阶段中有许多不可控 制的变化,像器件的离散性,机械的压力,氧化 层厚度的变化。整体的变化对于一组相同的器件 来说会产 生系统 的不 匹配,可 以通过采用 一些设 计的方法来降低其不匹配性。例如采用公共质心 技术使器件的布局尽可能靠拢,保持相同的电流 导向。当与器件尺寸大小相 比较 时,不匹配与 短距离范围的变化有关还与材料的离散性有关,原(下转第 3 7页)电子科技 2 0 0 7年O 5月 1 5日 3 2 O 8 6 4 2 0 l 1 0 0 0 0 0 堡 维普资讯 http:/ 一种应用于 M R C p r e p o s t r a k e的抗抽头串扰算法 2 Es ma i l z a d e h R,Na k a g a w a M P r eRAKE d i v e r s i t y C o mb i n i n g f o r D i r e c t S e q u e n c e S p r e a d S p e c t r u m Mo b i l e Co mmu n i c a-t i o n s S y s t e m s J I E I C E T r a n s C o m m u n 1 9 9 3 E 7 6一B (8):1 0 0 81 0 1 5 3 Ha n J i n Ky uP a r k Ha nk y u S VD P r e P o s tRAKE Wi t h A d a p t i v e T r e l l i s C o d e d Mo d u l a t i o n for TD D DS S S A p p l i c a t i o n s J I E E E T r ans a c t i o n s,2 0 0 4,5 3(2):2 9 6 3 0 6 4 S u e h i ro N。Ha t o r i H N s h i f t C r o s s o r t h og o n a l S e qu e n c e s J I E E E T r ans I n f o r m T h e o r y,1 9 8 8,3 4(1):1 4 3 1 46 5 P ark S I,P ark S R,S o n g I,e t a1 Mu l t i p l eA c c e s s I n t e r f e r e n c e R e d u c t i o n fo r Q sC D MA S y s t e m s t I l a N o v e l C l a s s o f P o l y p h ase S e que n c e s J I E E E T r ans I n f o r m T h e o r y,2 O O O,4 6(7):1 4 4 81 4 5 8 6 S e c i n Gu n c a v d i,Al e x an d r a D u e lh all e n S p a c eT i me P r e RA K E Mu l t i u s e r T r ans mi t t e r P r e c odi n g for D S C DMA S y s t e ms J I E E E T r a n s I nfo r m T h e o r y,2 0 0 3,4 9(1 0):2 4 1 1 2 4】5 (上接第 3页)因是杂质 的分散、固定 电荷、二 氧化 硅层 电荷、耗尽层电荷的影响。这些原因作为设计者都应很 好地理解,从而在设计中消除这种限制。本文主要考虑阈值电压与器件的面积有很大 关系,也就是与宽长值有很大的关系。但是文中 只研究 了物理因素,在做 电路设计 的时候 还与设 计所加的偏置电压有关,这些有利于精确建模及 精确电路设计。参考文献 1刘永,张福海 晶体管原理 M 北京:国防科技大学 出版社,2 0 0 2 2 陈松涛,刘晓彦,杜刚,等 基于 B S I M 3的超深亚微 米器件建模及模型参数提取 J 固体电子学研究与进 展,2 0 0 3,2 3(4):4 0 7 4 0 9 3 C a r l o s Ga l u p Mo n t o ro。M6 r c i o C S c h n e i d e r A Co mp a c t Mode l o f M O S F E T Mi s m a t c h for C i r c u i t D e s i g n J I E E E S o l i d S t a t e C i r c u i t s,2 0 0 5,4 o(8):1 6 4 91 6 5 5 4 Z h a n g Q,L i o u J J,M c Ma c k e n J,e t a1 Mode l i n g o f Mi s ma t c h E fe c t i n S u b mi c r o n MO S F E Ts B a s e d o n B S I M3 Mo d e l a n d P a r a m e t ri c T e s t s J I E E E E l e c t r o n D e v i c e L e t t e r s,2 0 0 1,2 2(3):1 3 31 3 5 5 D r e n n a n G,Mc An d r e w C C Un d e rst an d i n g MO S F E T Mi s m a t c h for A n a l o g D e s i gn J I E E E Sol i dS t a t e C i r c u i t s,2 0 0 3,3 8(3):4 5 3-4 5 5 6 Mi q u e l A l b i o l,L u i s Go n z ale z,Ed u a r d Al a r c o n Mi s ma t c h and Dy n a c Mo d e l i n g o f C u r r e n t S 伽 r e s i n C u r r e n t-s t e e ri n g C MO S D A C o n v e e rs A n E x t e n d e d D e s i gn P m c e d u r e J I E E E T r ans a c t i o n s o n C i r c u i t s a n d S y s t e m,2 0 0 4,5 1(1):1 5 9 1 6 9 7 Mi c h a e l J C,Mo h a mme d I s ma i l S t a t i s t i c al Mo d e l i n g o f De v i c e Mi s ma t c h for A n al o g MO S I n t e g r a t e d C i rcu i t s J I E E E Sol i d S t a t e C i r c u i t s,1 9 9 2,2 7(2):2 5 4 2 5 6 (上接 第3 2页)参考文献 1徐金标,葛建华,王新梅 一种新的盲均衡算法 J 通 信学报,1 9 9 5,5(1 6):7 8 8 1 2潘立军,刘泽民两种改进的盲均衡算法 J 电路与系 统学报,2 0 0 6,1 1(2):1 4 1 1 44 3李昌斌,徐昌庆 修正多模算法的盲信道均衡 J 信息 技术,2 0 0 4,2 8(1 0):1 61 8 4肖 波,徐昌庆基于 Q A M调制信号的构造函数盲均衡 算法 J ,信息技术,2 0 0 4,2 8(1 1):3 2 3 4 5 K i l Nam O h,Yo n g O h k C h i Mo d i fi e d C o n s t a n t Mod u l u s Al g o-r i t h m:B l i n d E q u a li z a t i o n and C a r r i e r P h ase R e c o v e r y A l g o ri t h m C C o m mu n i c a t i o n s,I C C 9 5 S e a t t l e,G a t e w a y t o G l o b al i z a t i o n,1 9 9 5,I E E E I n t e r n a t i o n al C o nf e r e n c e o n 1 9 9 5,6(1):4 9 85 0 2 6 C h i C h o n gy u n g,C h e n Ch i n gy u n g,Ch e n Ch i l h o rng,e t a1 Ba t c h P r o c e s s i n g Al g o ri t h ms for B l i n d E qu ali z a t i o n U s i n g Hi g h e r O r d e r S t a t i s t i c s J S i gnal P r o c e s s i n g Ma g a z i n e,I E E E,2 0 0 3,2 0(1):2 5 4 9 7 P i c c h i GP r a t i G B l i n d Equ ali z a t i o n a n d C a r r i e r R e c o v e ry U s i n g a“S t o pandG o”D e c i s i o nD i r e c t e d A l g o ri t h m J I E E E T r a m Co mmu n,1 9 8 70 9,C O M 一3 5:g 7 78 8 7 8 B e n v e n i s t e A,G o 吣 L B l i n d E q I l a l i z e r s J I E E E,T r a n s C o m m u n i a t i o n,1 9 8 4,3 2(8):8 7 1 8 8 3 电子科技 2 0 0 7年 o 5月 1 5日 3 7 维普资讯 http:/
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