MOS器件建模及仿真

华南理工大学电子与信息学院概述以硅基器件为代表的半导体器件在电子信息技术及产业中的应用使人类社会已进入了信息化、网络化时代.在全球信息化和经济全球化的进程中,以通信、计算机、网络、家电为代表的信息技术和信息产业获得了迅猛发展，而信息技术的迅速发展依赖于半导体技术的迅猛发展，所以说，半导体技术是信息技术的基石。材料器件电路系统华南理工大学电子与信息学院MOSFET是超大规模集成电路芯片（CPU、RAM等）中最重要的器件.CMOS技术因其抗噪声能力强和静态功耗低等优点已成为VLSI的主流技术.近些年，薄膜晶体管（TFT）因在显示技术、集成传感器、IC领域有潜在的应用前景而受到广泛关注。●MOS电路设计IC设计器件模型电路模拟器（DC、AC及瞬态分析）华南理工大学电子与信息学院●MOSFET模型器件模型是通过I-V,C-V以及器件中载流子输运过程描述器件的端特性，这些模型应能够反映器件在所有工作区域的特性.分为物理模型和等效电路模型。▲器件物理模型根据器件的几何图形、掺杂分布、载流子输运方程和材料特性等预测器件的端特性和输运特性.特点：1）通常需要二维或三维的数值计算；2）能揭示器件的内在物理效应；3）一般只适用于器件物理研究和器件开发；4）部分工作区能找到收敛的解析模型，可应用于电路模拟器.华南理工大学电子与信息学院▲等效电路模型将器件等效成由一些基本单元组成的电路，器件特性由该等效电路特性来描述.特点：1）可解析求解；2）不能揭示器件的内在物理效应；3）适合于电路模拟器.电路模拟器的功能1）DC模型-----静态模型；2）瞬态模型-----大信号动态模型；3）AC模型-----小信号模型.▲电路模拟器对晶体管模型的要求准确、简单华南理工大学电子与信息学院▲电路模拟器中常用的器件模型1）解析模型----模型方程直接由器件物理导出.A）薄层电荷模型（基于表面势）----该模型在所有工作区域内连续；可精确计算；需要迭代求解.B）半经验解析模型----根据主要的物理现象，对器件的不同工作区域进行近似求解.解析模型的优点：A）描述了物理过程和几何结构之间的关系；B）描述了器件的电学特性.2）查表模型----建立器件特性数据库（系数表），通过查表得到新器件的电流和电导值.3）经验模型----模型方程基于实验数据的曲线拟合.华南理工大学电子与信息学院●MOSFET模型参数提取MOS晶体管模型中的参数一般通过测量大量的不同尺寸（不同沟道长度和宽度）的实验器件样品得到（即从各种不同尺寸MOSFET的I-V和C-V曲线中提取模型参数）.课程主要内容：☺FET基础知识回顾☺MOSFET主要模型简介☺OTFT基础知识及模型探讨☺TFT模型参数提取方案简介华南理工大学电子与信息学院课程论文题1、探讨TFT器件（非晶硅TFT、ZnO-TFT、P3HT-TFT）阈值电压的定义、模型及Vth提取方法。2、探讨工作于积累态的TFT的关态电流形成机理和模型。3、探讨MIS结构C-V曲线中积累区电容-频率依赖特性及建模。4、探讨TFT器件噪声特性的测试方法及模型。5、TFT器件中体陷阱态与界面陷阱态的形成机理、对I-V和C-V的影响机理以及测试表征方法。6、TFT的源、漏接触电阻的形成机理、表征方法和抑制措施。华南理工大学电子与信息学院非晶硅TFT多晶硅TFT有机TFT华南理工大学电子与信息学院第一章MOSFET基础●半导体方程①泊松方程：)(ADsNNnpq)(002ADsisiNNnpq)(0ADsiNNnpq②电子与空穴的连续性方程：RJqtpRJqtnpn11上式中，R=U-G，U、G、R分别为复合率、产生率和净复合率。R0表示净复合，R0表示净产生。华南理工大学电子与信息学院③电子与空穴的电流密度方程：pqpqDJnqnqDJpppnnn)]()()()([022xNxNxnxpqxADsiRxJqtpRxJqtnpn11●简化半导体方程xpqxpqDJxnqxnqDJpppnnn泊松方程：连续性方程：电流密度:华南理工大学电子与信息学院●MOSFET结构和工作原理1、MOSFET的基本结构2、MOSFET的工作原理当VGS＜VT（称为阈值电压）时,源漏之间隔着P区,漏结反偏,故无漏极电流.当VGSVT时,栅下的P型硅表面发生强反型,形成连通源区和漏区的N型沟道,产生漏极电流ID.对于恒定VDS,VGS越大,则沟道中的可移动电子就越多,沟道电阻就越小,ID就越大.VGS来控制沟道的导电性,从而控制漏极电流ID,是一种电压控制型器件.华南理工大学电子与信息学院nrnEEprpEpCCnrnEBnEpEEIIIIIIIIIIIII,,InEIpCInrIprIpEpnp晶体管载流子输运示意图)(112////LWRRnbbbe华南理工大学电子与信息学院3、MOSFET的特性N沟MOSFET当：VT0时,称为增强型,为常关型.零栅压时无导电沟道.VT0时,称为耗尽型,为常开型.零栅压时有导电沟道.IDVGSVT0IDVGSVT0转移特性曲线华南理工大学电子与信息学院221)(DSDSTGSDVVVVI输出特性曲线①线性区当VDS很小时，沟道就象一个其阻值与VDS无关的固定电阻，这时ID与VDS成线性关系,如图中的OA段所示.②过渡区随着VDS的增大，漏附近的沟道变薄，沟道电阻增大，曲线逐渐下弯.当VDS增大到VDsat饱和漏源电压时，漏处的可动电子消失，这称为沟道被夹断，如图中的AB段所示.OXnCLZ华南理工大学电子与信息学院③饱和区当VDS＞VDsat后，沟道夹断点左移，漏附近只剩下耗尽区.这时ID几乎与VDS无关而保持常数IDsat,曲线为水平直线，如图中BC段所示.222121)(TGSDsatDsatTGSDsatVVVVVVI④击穿区当VDS继续增大到BVDS时，漏结发生雪崩击穿，或者漏源间发生穿通,ID急剧增大，如图中CD段所示.输出特性曲线OXnCLZ华南理工大学电子与信息学院0-1-2-3-4-5-64.0x10-82.0x10-80.0-2.0x10-8-4.0x10-8-6.0x10-8-8.0x10-8-1.0x10-70V-0.5V-1.0V-1.5VID(A)VDS(V)Gatevoltage-2.0V0-1-2-3-4-5-61.0x10-70.0-1.0x10-7-2.0x10-7-3.0x10-7-4.0x10-7-5.0x10-70.0-0.5-1.0-1.5IDS(A)VDS(V)VGS-2.00-5-10-15-20-25-30-350.0-2.0x10-7-4.0x10-7-6.0x10-7-8.0x10-7-1.0x10-6-1.2x10-65V2V-1V-4VID(A)VDS(V)Gatevoltage-7V0-5-10-15-20-25-30-35-400.0-2.0x10-7-4.0x10-7-6.0x10-7-8.0x10-7ID(A)VDS(V)P3HT-TFTwithSiO2asgatedielectricAfter10daysP3HT-TFTwithHfTiOasgatedielectric实际晶体管特性举例华南理工大学电子与信息学院0-5-10-15-20-25-30-350.0-0.1-0.2-0.310V5V-0V-5VID(A)VDS(V)gatevoltage-10V0-5-10-15-20-250.0-3.0x10-9-6.0x10-9-9.0x10-9-1.2x10-8-1.5x10-8VGS=0VVGS=-10VVGS=-20VDraincurrent(A)Drainvoltage(V)VGS=-30V(a)-10-5051010-1010-910-810-7|ID|(A)VGS(V)VDS=-4VVDS=-7VVDS=-10V-30-25-20-15-10-500.0-2.0x10-9-4.0x10-9-6.0x10-9-8.0x10-9-1.0x10-80.02.0x10-54.0x10-56.0x10-58.0x10-51.0x10-4ID/AVGS/VFORWARDREVERSE|ID|1/2/A1/2P3HT-TFTwithSiO2asgatedielectricMEHPPV-TFTwithSiO2asgatedielectric华南理工大学电子与信息学院4、MOS的电容★MOS的基本结构★MOS的能带结构---功函数差引起的能带弯曲（图4-1）（图4-3）华南理工大学电子与信息学院★MOS系统中的电荷态氧化层电荷包括：界面陷阱电荷Qit；固定电荷Qf；氧化层陷阱电荷Qot；可动离子电荷Qm.＊*理解氧化层中各种电荷的来源及对MOS体系中半导体表面能带弯曲的影响.平带电压：使半导体表面能带恢复平坦栅极上所需加偏压.CQVoxmsfb0华南理工大学电子与信息学院★不同栅偏压下半导体表面状态的变化情况CQVCQQVVoxssfbmsoxssmsoxsg0当Q0=0时华南理工大学电子与信息学院反型时的泊松方程：siobNqxdd22][2/)2(2/100eVNqEQVtstfsbsisisis]1[/)2(22eNqxddVtfsiob0≤x≤Xd通过一次积分并利用高斯定理，可得硅中感生电荷密度：耗尽时的泊松方程：可解得：sbsidbbNqXNqQ02由Qs=Qi+Qb，可得反型电荷Qi][2/)2(0stsbsiieVNqQVtfs华南理工大学电子与信息学院CQVVVoxssfbmsoxsg][2/)2(2/10eVCNqVVVtstfsoxbsisfbg利用：得到栅压与表面势的关系：同时考虑电子和空穴的一般泊松方程：]1[/2//)2(22eeeNqxddVVVsiobtfttf0≤x≤Xd])([2///22/10VeVVeVeNqQtVtstVstVsbsiststtf一次积分，并利用边界条件和高斯定理可得：华南理工大学电子与信息学院p型衬底MOS电容在所有工作区中硅层感生电荷密度Qs与表面势φs的关系如图所示：积累区（φs＜0）：eQVst2/~ssQ~耗尽区和弱反型区(0＜φs＜2φf)：强反型区(φs2φf)：eQVst2/~华南理工大学电子与信息学院★MOS结构的电容－电压关系定义式：VdQdCgggCQVoxgsmsgCCCCosoxg111又CQddVdoxgsg即：推知：图4-16MOS电容等效电路华南理工大学电子与信息学院★MIS结构电容器的等效电路推导由高斯定理：EQi0可得)()]()([tQttVCssGox)()(tVVtVGGG)()(ttsss对于小信号，将Qs(t)泰勒展开，保留前两项，可得)()()()()()()()(tCQtdQdQtQQtQssssssssssssss（1）代入（1）整理得QVCssGox)(ssssGoxCVC)()(VsCsCoxCGoxs)]([1)](CC[C)(Cssox1-oxssssVQVQCGGss所以ssssdQd-)(C华南理工大学电子与信息学院★多数载流子响应时间在积累状态和耗尽状态时，电容来源于多数载流子对交流小信号的响应引起的流入和流出硅耗尽层。当外加交流小信