MOS管短沟道效应及其行为建模

实验室研究与探索

RESEARCHANDEXPLORATIONINLABORATORY

Vo.l26No.10

Oct.2007

MOS管短沟道效应及其行为建模

冼立勤, 高献伟

(北京电子科技学院电子技术实验室,北京100070)

摘 要:随着集成电路工艺的不断革新,集成电路器件的尺寸不断减小,当MOS管的尺寸小到一定程度时,会出现短沟道效应,此时MOS管特性与通常相比有很大不同。本文介绍了描述短沟道MOS管特性

的一些公式,然后利用硬件描述语言VHDL-AMS对短沟道MOS管进行了行为建模,并利用混合信号仿真器SMASH5.5对模型进行了仿真,将短沟道MOS管模型特性与一般模型特性作了比较。关键词:VHDL-AMS;短沟道效应;MOS管;行为建模中图分类号:TN402

文献标识码:A

文章编号:1006-7167(2007)10-0014-03

MOSFETShor-tchannelEffectandItsBehavioralModeling

XIANLi-qin, GAOXian-wei(ElectronicsTechnologyLab.,BeijingElectronicScienceandTechnologyIns.t,Beijing100070,China)Abstract:Shor-tchanneleffectsappearwhendimensionsofMOSFETarelesstoacertainexten,t

andthenthe

characteristicoftheMOSFETisdifferentfromthegenericmode.lThispaperpresentedtheformulationincludingshor-tchannelMOSFET,thencreateditsbehavioralmodelusingVHDL-AMSandsimulatedbythemixedsignalsimulatorSMASH5.5.Theresultsofsimulationarecomparedwithgenericmode.l

Keywords:VHDL-AMS;shor-tchanneleffects;MOSFET;behavioralmodelingCLCnumber:TN402 Documentcode:A ArticleID:1006-7167(2007)10-0014-03

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

[1]

行为,而不需要声明模型是如何实现的

[2,3]

。

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:

LnE

v=

1+E/Ec

。

VHDL-AMS(AnalogandMixedSignal)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

(1)

其中Ln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

收稿日期:2006-12-13

基金项目:北京市高等学校教育教学改革试点项目(1999068)作者简介:冼立勤(1956-),男,江苏南京人,学士,副教授,电子技术实验室主任,主要从事电子技术和EDA的教学与科研工作。Te:l010-83635090;E-mai:lxianliqin@best.iedu.cn

第10期

冼立勤,等:MOS管短沟道效应及其行为建模

15

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

[4,5]

。

2

DS

为模型。

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:

libraryieee;

useieee.electrical_systems.al;luseieee.fundamental_constants.al;luseieee.math_rea.lal;lgeneric(

w:real:=100.0e-6;--沟道宽度L:real:=100.0e-6;--沟道长度

在线性区,漏极电流的公式原来为

ID=kpW(UGS-UT)UDS-U

L2

(2)

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ID=kp

WU

K(UDS)(UGS-UT)UDS-L2

2DS

(3)

uto:real:=0.82;--零偏阈值电压kp:real:=2.0e-5;--跨导参数gamma:real:=0.0;--衬底阈值参数ph:ireal:=0.6;--表面电势

lambda:real:=0.02;--沟道长度调制系数ld:real:=0.0;--横向扩散长度

js:real:=0.0;--衬底结饱和电流/每平米rd:real:=1.0;--漏极欧姆电阻rs:real:=1.0;--源极欧姆电阻port(terminalg,s,d,b:electrical);endentitynmos;

其中,K(UDS)因子考虑了速度饱和的因素。K(U)定义为:

K(U)=

11+UEcL

(4)

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

kpW2

ID=(UGS-UT)

2L

现在修正为

ID=

kpW2

(UGS-UT)K(UGS-UT)2L

(6)(5)

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。VHDL-AMS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VHDL-AMS模型占有较大篇幅,以下仅给出短沟道MOS管VHDL-AMS模型中与前面内容相关的关键程序语句。

------截止区

if((ugs=0.0))useids==1.0e-9*

uds;

------线性区elsif

((uds<=(ugs-uth)*(1.0/(1.0+(ugs-uth)/(Ec*L))))and(ugs>=uth)and(uds>=0.0))

use

ids==uds*k*((ugs-uth)-(uds_free/2.0))*(1.0+lambda*uds)*k_uds;

------饱和区elsif((uds>use

ids==(k/2.0)*((ugs-uth)**2.0)*(1.0+lambda*uds)*k_udssat;

else

ids==1.0e-9*enduse;uds;

(ugs-uth)*(1.0/(1.0+(ugs-uth)/(Ec*

L))))and(ugs>=uth)and(uds>=0.0))

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-AMS的MOS管建模

N沟道MOS管模型如图1所示

[6,7]

,VHDL-AMS

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VHDL-AMS构建短沟道MOS管行

图1 N沟道MOS管模型

16

实 验 室 研 究 与 探 索

第26卷

以上程序中,k为增益因子

k=kpW/L

k_uds==1.0/(1.0+uds/(Ec*L))对应于前述K(UDS)项;k_udssat==1.0/(1.0+(ugs-uth)/(Ec*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+lambda*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。

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ID-UDS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0.5V,主要差别在于一个是长沟道(L=10Lm)MOS管,一个是短沟道(L=0.2Lm)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

4 分析与比较

利用混合信号仿真器SMASH5.5,得到VHDL-

图2 基于VHDL-AMS的MOS管模型仿真结果

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。

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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UGS-UT之前已经达到饱和状态,因此短沟道MOS管经历的饱和范围更大。短沟道MOS管的VHDL-AMS行为模型仿真结果很好地揭示了这一结论。

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(上接第13页)

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