MOS器件高温特性模拟

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电子科学与技术系0103班C1组 《计算材料学》课程设计
Wuhan 430074,Hubei,P.R.China
中国. 湖北. 武汉
半导体参数模型
高温考虑修正
MOS MOS
高温半导体参数模型
实
型
际
理想化假设和近似
器
件
器
物
件
理
模
数学模型
模
型
改
选定软件并确立算法
进
编程模拟器件高温特性
N 模拟结果与实际一致吗
关键词：半导体物理 MOS 器件 高温特性
近似模型 数值模拟
Abstract: In this paper, temperature characteristics of physical parameters in semiconductor are
studied, such as carrier transfer rate and intrinsic concentration, etc. The traditional models are also modified. Then approximate analytic models of MOS devices for leakage current ( ΙR ), threshold voltage (VT ), transfer characteristics and transconductance ( g m ) are proposed. NMOS device is taken for example, by using LabView (a tool for simulating) to carry out numerical simulation. Then some conclusions of the changes of these characteristic parameters in high temperature are achieved. These conclusions could be used as references in analyzing and designing high-temperature MOS device.
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由于常温下半导体的温度特性模型和理论都已经比较成熟，但是在高温下需要对其进行 重新加以探讨，并进行必要的修正，这是分析 MOS 器件高温特性的基础。所以我们首先研 究了硅材料的一些基本参量的温度依赖特性并给出了高温条件下应该考虑的问题，包括禁带 宽度，本征载流子，迁移率等，然后我们考虑了高温效应，考虑到影响 MOS 器件因素的复 杂性及计算效率等因素，本文在建立模型时，做了必要的近似，忽略了一些次要因素，对这 些模型作了必要的修正和改进，最后我们运用前面提出的高温模型进一步深入研究了 n 型 MOS 器件的高温电学特性分析，利用 Labview 同时模拟了高温 MOSFET 的输入输出特性， 阈值特性，泄漏电流，跨导等，并给出模拟程序的结构框图 ，源程序和模拟结果。
图 3 迁移率 µ 随温度 T 的变化
比较此模型与传统模型,传统模型认为
µ
(Τ)
=
µ
(Τ1
)
⋅
−
Τ
3 2
,没有考虑
m*
随
Τ
的变化,实际上
m*
随
温度减小,该模型修正了这个误差.
结果分析：由模拟结果知，随温度升高 µ 减小，这是是影响 MOSFET 的高温特性的重要原因。
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3. 本征载流子随温度变化
本征载流子一般模型
ni
(T
)
=
3.9
×1016 T
3 2
exp(−
Eg0 2KT
)cm −3
（6）
本征载流子对于 MOS 器件是一个非常重要的参变量，我们必须对它进行深入的分析
和讨论，在一般的模型中，对其进行了常温很窄的温度范围的近似，事实上从我们如下的推
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µ
(Τ)
=
µ
(Τ1
)
⋅
−
Τ
3 2
，
（1）
同时我们也没有采用很多的复杂模型，因为我们觉得迁移率应该从最根本的模型出发来
考虑温度的因素的影响，在翻阅了半导体物理学后，我们采用了自己的创新模型，即考虑了
Keywords: Semiconductor physics, MOS device, High-temperature characteristics, Approximate
characteristics, Numerical simulation
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MOS 器件高温特性模拟
胡志富 程文进 李清俊 严兆辉 柯政 吕肖晗
黄辉 薛文彬 李波 何卿 龚潇倩
华中科技大学电子科学与技术系 0103 班 430074
摘要：本文先研究了载流子迁移率、本征载流子浓度等半导体物理参数的温度特性，并对传
统的模型进行修正，然后提出 MOS 器件的泄漏电流、阈值电压、转移特性和跨导等特征参 数高温特性的近似解析模型，并以 n 沟道 MOS 器件为例，用 LabVIEW 软件进行数值模拟， 得出了这些特征参量的在高温下的变化规律，为分析和设计在高温下工作的 MOS 器件了参 考。
对 空 穴 ： y=4, a=0.59, b=0.35, c=5.9 ×10−3 , d=10 10−3 , e=0.247,
ϕ(T ) =Arcsinh(0.17T+3.74)
通过实验拟合得 Α = 2 ×10−26（其中 µ 的单位是 cm2 /V ⋅ s ）通过模拟得高温下 µ 与 Τ 的曲线如 下:
表 1 各半导体材料禁带宽度的一些参数
并通过计算机模拟得出了 Eg -T 曲线 如图 2 所示：
图 2 禁带宽度 Eg 和温度 T 关系 由上图可以很明显的看出,对于半导体材料来说 ,随着温度的升高,禁带宽度是逐渐下降 的,在考虑高温 MOS 器件时候必须考虑他的高温修正,所以我们采用本模型作为基本模型。 2. 迁移率与温度的关系 µ − Τ 通过我们半导体学习我们知道迁移率对温度有强烈的依赖关系，而且对于器件的特性有 很大的影响，因此在查阅了大量资料后我们放弃了传统的简单关系：
Y 结果分析
图 1 MOS 器件高温特性模拟思路
二、半导体材料物理参量的高温特性
众所周知，半导体材料的一个显著特点是其物理参数对温度具有很强的依赖型。然而， 由于已有的器件与电路多工作在常温区，通常采用的模型亦以其在常温下的行为基础，很少 涉及在 100。C ～300。C 高温下的变化。而在高温温度条件下，许多参数的变化呈现出与常温 下不同的特点，原有模型的适用性需要重新加以探讨，并给予必要的修正。这是高温器件电 子学研究的物理基础。
m*
3
Α⋅Τ2
（4）
其中载流子有效质量 [2] ：
m* n, p
= {a y
+
[
1
1 ]y +[
1
1
}y ]y
b + c *T d + e*ϕ(T )
（5）
对电子：y=4, a=1.06, b=1.07, c= 2.5 ×10−4 , d=9.8×10−2 e=5.48, ϕ(T ) =T 1/ 2
在江老师的《计算材料学》里我们知道，根据器件的物性，用计算机模拟材料的结构和 特性，对设计材料有很大的指导作用。器件模拟分为两类，即数值模型和解析模型。数值模 型就是从基本的物理方程出发依照器件的几何结构建立严格的数值模型，对其数值求解从而 得到器件到特性参数。解析模型则是根据一定的假设、近似、或拟和，给出一定条件下的使 用的表达式来代表器件性能，与数值模型相比，虽然精确度较差，但运算量小，可以简便的 进行一般器件特性的研究和优化设计，因此，我们采用了解析模型。其研究过程可以由图 1 所示：
有效质量 m 对其进行了修正，值得指出了的是我们在建立模型的时候，对迁移率进行了简
化处理，即高温时候忽略了低温因素，提出了模型
µ= q ⋅ 1
m*
3
Α⋅Τ2
式中常数 A 是我们通过曲线模拟而来，具体推导如下：
（2）
由半导体物理知识 [1] 知：
电离杂质散射: 声学波散射:
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µi ∝ Ni−1 ⋅T 2
Eg
=
E0
−
αT 2 T +β
（7）
其中： E0 = 1.17 ± 0.001eV ， β = 636 ± 50k ，α = 4.73*10−4 ± 0.25*10−14 eV / k 由文献 [1] ,本征载流子浓度 ni ：
ni =
Nc
Nv
exБайду номын сангаас(−
qEg 2kT
)
Nc
=
2
(2π mn*kT )32 h3
化，在这里，为了更好的从最基本的参数着手，我们采用了模型 Eg
=
E0
− αT 2 T +β
，对于硅，
锗，砷化镓分别取如下的参数
材料 硅 锗 砷化镓
Eg（0K）/ev 1.170 0.7437 1.519
α（1 0 − 4 e V / K ） 4.73 4.774 5.405
β（K） 636 235 204
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