MOS晶体管基本特性表征

0.00025 0.0002
Vgs=0.3V Vgs=0.6V Vgs=0.9V Vgs=1.2V Vgs=1.5V
0.00015
线性区
0.8 1 1.2 Vg(V)
Ion
饱和区
Ids (A)
0.0001
• MOSFET最主要的特性曲线为Id-Vg, Id-Vd曲线. 特别是Id-Vg;
0.00005
Ids (A)
5.00E-03 4.00E-03 3.00E-03 2.00E-03
1.00E-12 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Vgs (V)
1.00E-03
0.00E+00 0
Id (A)
Id (A)
Vt2@1E-7*W/L
Vd=-0.1V Vd=-1.2V
5.00E-03
1. 沟道越短，DIBL越大；
2. DIBL有时会表现为亚阈摆幅增大, 即 增加Ioff;
1.00E-05 1.00E-06
3. DIBL会降低输出电阻, 使器件用于模 拟电路特性变差, 用于数字电路速度下 降.
1.00E-07 1.00E-08 1.00E-09
1.00E-02
0
0.15um LV,
4.00E-03 3.00E-03
Vd=-0.1V Vd=-1.2V
2.00E-03
1.00E-03
0.00E+00
0.2
0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
MOSFET Basic Characterization
(MOS晶体管基本特性表征)
Wenyu Gao 2020/04/18
1. MOSFET的特性曲线与特征参数
2. 短沟效应(SCE & RSCE) 3. 窄沟效应(NWE & RNWE)与STI寄生晶体管
C-V 特性曲线
1. N-type, P-type; majority-carrier(多 子), minority-carrier(少子).
Id (A)
1.00E-03
1.00E-04 Vt1@1E-7*W/L
1.00E-05
1.00E-06
1.00E-07 1.00E-08 1.00E-09
1.00IEo-1ff0
1.00E-11
Vt3
Vd=0.1V,Vb=0V,Vs=0V Vd=1.2V,Vb=0V,Vs=0V Vd=0.1V,Vb=-0.6V,Vs=0V
NMOSFET
G Cox B Cpoly Csi
G
N+ poly
PW
PW
B
NMOS Capacitor
C-V 特性曲线-cont1
G Cox B Cpoly Csi Teq = Tox + Tpoly + Tinv
1. Poly 等效厚度与其掺杂浓度有关，一般<10A； 2. 反型层等效厚度~8A；
0
0
0.3
0.6
0.9
1.2
1.5
Vds(V)
亚阈特性曲线
亚阈区： Ids m(Vt)2expVg s VtVth
亚阈摆幅(Sub-threshold Swing)：
S dVgs d(logIds)
S 2 .3 V t(1 C d C oC x i) t 6m 0(1 V C d C oC x i) t
5.00E-05 4.00E-05 3.00E-05
Vd=0.1V,Vb=0V,Vs=0V Vd=1.2V,Vb=0V,Vs=0V Vd=0.1V,Vb=-0.6V,Vs=0V
Idlin
Id (A)
2.00E-05
1.00E-05
0.00E+00
0.15um LV, 0 0.2 0.4 0.6 W/L=10/10 截距=Vt0+0.5Vds
I-V 特性曲线
线性区(萨氏方程)： Vgs Vth
Ids sC L oW x V g sV th 0.5 V dV sds
sCoxW
L
Rch
Vds Ids
1
(Vgs Vth)
Ron = Rch (Vgs=Vdd)
饱和区：VdVdsatVgsVth
Idsat 2(VgsVth)2 Ion = Idsat (Vgs=Vdd)
1.00E-12
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
0.15um LV,
Vg(V)
W/L=10/10
V thVfb2f 2f V sb
1. 亚阈摆幅S和Vt0(或Vt1)是影响MOS管漏电的二个重要参数, S越小 越好, 室温下一般为70~90 mV/dec;
2. 体因子γ一般越小越好;
C-V 特性曲线-cont2
No
5V NMOSFET TCAD data
Image
1. 栅介质厚度对积累区和反型区电容都有影响； 2. 氧化物电荷Qf会造成CV平移； 3. Poly depletion仅对反型区电容有影响; 4. Vg=+/- Vdd常作为WAT的监控点，测量等效电学厚度
Teq 和 Tox。
短沟MOSFET—电流方程
饱和区： Ids a W t in (V C v g sV th V D)sv s aa t t
VDsat (V(VggssVVtht)h)cLcLefefff
c
v sat 2 eff
考虑Rs/Rd效应时：
Idsat (1WIdC isna0vRtsvsa)t
V D sV a D t0 s Accumulation(积累), depletion(耗
尽), inversion(反型)。
+
D G
B
SDE or
Spacer
LDD
N+ poly
S/D
N-
N-
N+ gate oxide
N+
-
N+ poly
eee
hhh
PW
N+ poly
eee
h
PW
e N-
+
N+ poly
eee h hh
S
PW
• 影响短沟管Idsat的因素有： Leff，Vth，μeff，νsat, Rs ，Cinv(Teq)。
短沟MOSFET— I-V 特性曲线
DIBL (drain induced barrier low)：
1.00E-02 1.00E-03
σ = |Vt1 – Vt2| / |Vdd-0.1|
1.00E-04
1.00E-04
W/L=10/0.158.00E-03
Id s (A/ um )
1.00E-06
7.00E-03 6.00E-03
1.00E-08 1.00E-10
L=0.135um, Vds=0.1V L=0.135um, Vds=1.2V L=0.15um, Vds=0.1V L=0.15um, Vds=1.2V