MOSFET亚阈值导电特性-亚阈值斜率提取

半导体技术人 2021-01-09 00:00

    亚阈值导电:当VGS下降到VGS ≈VTH时,一个“弱” 的反型层仍然存在,并有一些源漏电流。甚至当VGS <VTH ,ID也并非是无限小,而是与VGS呈现指数关系,这种效应称作“亚阈值导电”。

亚阈状态的性能指标——亚阈值斜率(栅压摆幅):

    MOSFET结构:栅氧化层厚度为15.5559nm;源漏区结深为nxj=0.176352 um ;源漏区薄层电阻为31.0221 ohm/square;LDD区薄层电阻为2170.57 ohm/square;沟道表面浓度为3.68893e+016 atoms/cm3

沟道表面电导与栅偏压关系


阈值斜率提取

 1.0/slope(maxslope(curve(abs(v."gate"),log10(abs(i."drain")))))=0.0911873 


由于MOSFET的亚阈电流IDsub随着VGS的增大而指数式增加,为了表征这种栅-源电压对于亚阈电流的影响状况(即亚阈特性的好坏),就引入一个所谓亚阈值斜率(栅极电压摆幅)S的参量。

    S定义为:S=dVgs/d(lgIdsub)。

    S即表示亚阈电流Idsub减小10倍所需要的栅-源电压(单位是[mV/dec])。显然,S的值愈小,器件的开关(即在导通态和截止态之间的转换)速度就愈快。因此S值的大小反映了MOSFET在亚阈区的开关性能。在理想情况下,可求得S=59.6 mV/dec,这就表明,当栅-源电压改变大约60mV时就会使亚阈电流发生很大的变化。

    影响S的因素主要有衬底掺杂浓度、半导体表面电容、表面态密度和温度。降低衬底掺杂浓度和减小半导体表面态密度,减小耗尽层电容和增大氧化层电容,以及降低温度,都可以减小S值。从而,为了提高MOSFET的亚阈区工作速度,就应当尽量减小MOS栅极系统中的界面态和降低衬底掺杂浓度,并且在MOSFET工作时应当加上一定的衬偏电压(以减小耗尽层电容)和保持器件的温度升高不要太大。


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   晶体管亚阈状态是MOSFET的一种重要工作状态(工作模式),又称为MOSFET的亚阈值区(Subthreshold region)。

这是MOSFET的栅极电压Vgs处在阈值电压VT以下、又没有出现导电沟道的一种工作状态,即是Vgs≤VT 、表面势ψs ≈ 费米势ψb(即表面为弱反型)的状态。这时还是有一股较小的电流通过器件,该电流即称为亚阈电流。

    亚阈电流虽然较小,但是它却能很好地够受到栅极电压的控制,所以亚阈状态的MOSFET在低电压、低功耗应用时很有利,特别是在逻辑开关和存储器等的大规模集成电路应用中非常受到人们的重视

亚阈状态特性

  因为ψs = Vgs–VT , 则MOSFET的亚阈电流为Idsub∝ exp(qψs/kT) ∝ exp(q [Vgs–VT] / kT) ,即输出的亚阈电流随着输入栅-源电压VGS作指数式增大;并且在Vds>3kT/q时, 亚阈电流与Vds的关系不大。但在Vgs>VT (即ψs > 2ψfb,即出现沟道) 时,则输出源-漏电流与Vgs之间有线性或平方的关系,这属于正常的MOSFET传导的电流。MOSFET的这种亚阈值状态与其饱和工作状态相比,具有低电压和低功耗的优点,在逻辑应用中有很大的价值。所以,在超大规模集成电路中,虽然采用的基本器件是MOSFET,但是其工作的物理基础却是双极型晶体管原理


半导体技术人 半导体器件及集成电路仿真设计、制造技术交流
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