MOS管短沟道效应及其行为建模

1　引　言

目前,实现微电路最常用的技术是使用MOS晶体管。随着科学技术的发展,集成电路的集成密度不断地在提高,MOS晶体管器件的尺寸也逐年缩小, 当MOS管的沟道长度小到一定值之后,出现的短沟道效应将对器件的特性产生影响,使其偏离传统长沟道MOS管的特性

VHDL2AMS(Analog andMixed Signal)是一种高层次的混合信号硬件描述语言,它不仅支持对模拟系统的建模和仿真,而且支持对离散系统及数字模拟混合系统的建模和仿真。它对电路系统的描述既可以采用结构描述,也可以采用行为描述,即只需要描述模型的行为,而不需要声明模型是如何实现的。

2　工作原理

当MOS管沟道缩短到一定程度,就会出现短沟道效应,其主要表现在MOS管沟道中的载流子出现速度饱和现象。在MOS管沟道较长、电场较小的情况下,载流子的速度正比于电场,即载流子的迁移率是个常数。然而在沟道电场强度很高情况下,载流子的速度将由于散射效应而趋于饱和。载流子速度v与电场的关系可用以下关系式来近似:

其中μn 是迁移率, E是沟道水平方向的电场, Ec是速度饱和发生时的临界电场。沟道水平方向的电场取决于UDS /L,对于短沟道MOS管,由于沟道长度L 比长沟道MOS管小得多,因此水平方向的电场也相应大得多,随着漏源电压UDS的增加,很快就可以达到饱和点。因此在分析MOS管特性时,考虑到速度饱和效应,就不能沿用传统长沟道MOS管的电流、电压关系式,需要对其加以修正。

在线性区,漏极电流的公式原来为

其中ID 为漏极电流, kp 为跨导系数,W 为沟道宽度, L 为沟道长度, UT 为阈值电压, UGS和UDS分别是栅极电压和漏极电压。

对于短沟道MOS管,应该修正为

其中, K (UDS ) 因子考虑了速度饱和的因素。K(U)定义为:

UDS /L 可以理解为沟道中水平方向的平均电场,对于长沟道MOS管,由于L 较大, UDS /L 比Ec 小得多,因此K (UDS ) 接近于1, 而对于短沟道MOS 管,K (UDS )通常小于1,因此产生的漏极电流要比通常电流公式计算的值要小。在饱和区,漏极电流的公式原来为

其中, K (UGS - UT )因子考虑了速度饱和的因素。在(UGS - UT ) /LEc 比1大得多的情况下, ID 与(UGS -UT )不再是长沟道MOS管中的平方关系,而接近于线性关系。3　基于VHDL 2AM S的MOS管建模

N沟道MOS管模型如图1 所示[ 6, 7 ] , VHDL2AMS既可以针对其结构进行结构描述,也可以对其进行行为描述,即通过一些数学表达式或传递函数来描述对象的行为。下面用VHDL2AMS构建短沟道MOS管行为。

短沟道MOS管行为模型中,库和程序包的调用以及接口参数定义如下:

在ieee库中,程序包electrical_ systems中定义了电子系统中电压、电流、电源地等基本电路变量,程序包fundamental_constants中定义了电子电荷、波耳兹曼等一些基本常数,math_real程序包则定义了各种数学运算符等。VHDL2AMS在接口定义中列出了MOS管模型中的有关参数,可以方便地进行设置和修改。由于MOS管的VHDL2AMS模型占有较大篇幅,以下仅给出短沟道MOS管VHDL2AMS模型中与前面内容相关的关键程序语句。

以上程序中, k为增益因子

k = kpW /Lk_uds = = 1. 0 / (1. 0 + uds/ ( Ec3 L) ) 对应于前述K (UDS )项; k_udssat = = 1. 0 / (1. 0 + ( ugs2u th ) /(Ec3 L) ) 对应于前述K (UGS - UT )项。可以看出,在截止区,漏极电流几乎为零,在线性区和饱和区,漏极电流表达式分别包含k _uds和k_udssat因子,反映了

短沟道效应。此外漏极电流表达式还包含( 1. 0 +lambda3 uds)项,其中lambda为沟道长度调制系数,反映漏极电压对沟道长度的影响。

4　分析与比较

利用混合信号仿真器SMASH5. 5, 得到VHDL2

AMS描述的MOS管模型的仿真结果,如图2所示。图中分别给出两个MOS管的ID2UDS特性。两个管子是具有相同W /L 比的N沟道MOS管,各项参数基本相同,比如开启电压UT 均为0. 5 V,主要差别在于一个是长沟道(L = 10μm) MOS管, 一个是短沟道(L =0. 2μm)MOS管。上面一条特性是长沟道MOS管特性,下面一条特性是短沟道MOS管特性。从图中可看出,长沟道MOS管特性曲线在UDS =UGS - UT = 2 - 0. 5 = 1. 5V处饱和,符合常理。而短沟道MOS管曲线则在UDS远低于1. 5V处就已经提前饱和。通过观察可以发现饱和点约为0. 5V。因此短沟道MOS管的饱和区域要比长沟道MOS管更宽。

此外同在饱和区,如当UDS = 2V时,可以看到短沟道MOS管的漏极电流只是长沟道MOS管漏极电流的1 /3左右。这意味着短沟道MOS管的电流驱动能力明显下降。

5　结　论

对于如今的深亚微米工艺,传统的长沟道MOS管模型已经不再适用。由于速度饱和因素的影响,使得短沟道MOS管在达到UGS2UT 之前已经达到饱和状态,因此短沟道MOS管经历的饱和范围