温度变化对MOS场效应晶体管电压特性的影响分析

信息来源: 时间:2021-12-8

温度变化对MOS场效应晶体管电压特性的影响分析

通常用来表征MOS场效应晶体管电流-电压特性的两个参数是β和VT。特别是,对于一级近似,当外加漏极电压小时,n沟道MOS场效应晶体管的漏电流近似等于

MOS管的温度电压特性

而饱和漏电流近似等于

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注意(4.20)和(4.21)只同β,VT以及外加电压有关。由此可知MOS场效应晶体管电特性随温度而变的任何变化均可直接认为是这两个参数随温度的变化。

β是晶体管增益的直接量度,其定义为

MOS管的温度电压特性

显而易见,参数β随温度的任何变化可以直接认为是沟道内载流子有效迁移率μ的变化。当器件的工作温度上升时,沟道内载流子有效迁移率下降。因此,还能观测到β随温度增加而下降。对于n和p沟道硅MOS场效应晶体管,莱斯蒂柯(Leistiko),格罗夫(Grove)和萨氏(Sah)已用实验方法研究了反型层中有效载流子迁移率随温度的变化规律1。如图5.1和5.2所示,实验结果表明,在高温条件下,有效迁移率呈T-3/2关系。不过,更有实际意义的是在低温情况下,有效迁移率不会随温度的增加而下降得这样快。温度在-55到+125℃的范围中间,有效迁移率更近似于T-1的关系。2在这个范围内作为量度MOS场效应晶体管增益的β具有相应的特性。

MOS管的温度电压特性

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用使半导体表面发生强反型时的外加栅-源电压来定义的阈电压近似等于

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MOS场效应晶体管的阈电压应用实验的方法就很容易得出:即考察漏极电压远低于夹断点或在漏电流饱和区内的器件低栅电压性能。在低于夹断点的情况下,结合(4.20);测量在漏极电压保持不变时,漏电流随外加栅压而变的变化,再将最后的图形外推,求出栅压的截距,便可得到阈电压。其它测定器件阈电压的方法是:在饱和漏电流区结合(4.41),让漏电压超过夹断点电压且保持常数或让栅电极与漏电极互相接近,测量随外加栅极电压而变的漏电流的平方根的特性。同样,根据定义,外推栅极电压所得的截距就等于阈电压,采用以上任一技术测量时,阈电压与MOS场效应晶体管沟道的宽长比无关。

实验近似地证明,在氧化物-硅界面上单位面积正值固定界面电荷密度Qss,在很宽的温度范围内与温度无关2,8。如假定фMS'也与温度无关,求(2.44)对于温度的微分得

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因为

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微分结果是

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再考虑制作于p型硅衬底的n沟道MOS场效应晶体管的情况。衬底材料的费密电势等于

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对温度求微分得到

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式中n表示处于室温和高于室温时硅的本征浓度4

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常数EGO近似等于1.21电子伏特,将(5.6)代入(5.5),求微分得到

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对于多数有实际意义的温度

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应用(5.4),(5.7)可以表示成

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将(5.9)代入(5.3)给出用p型衬底制作的n沟道MOS场效应晶体管阈电压对温度微分的如下表示式

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采用类似的推导方法就可以得出用n型衬底制作的p沟道器件的相似的表示式。对于n沟道MOS场效应晶体管,阈电压相对于温度的微商恒为负值,而对于p沟道MOS场效应晶体管则恒为正值。

实验证明:在-55到+125℃温度范围内,对n沟道和p沟道器件,VT都近似随温度呈线性变化,其值在室温下采用(2.44)和(5.10)可以相当准确地计算出来2。对于典型的p沟道MOS场效应晶体管,通过这种技术求得的实验与理论之间的对应关系见图5.3。

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对于工作在极低漏极电压下类似的p沟道器件特性,β和VT随温度变化的综合影响见图5.4。图中是漏极电压为零时漏-源电导GDSD对以温度为参变量的外加栅压曲线。GDSD定义为

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器件的总增益随温度升高而减小的变化,从电导-栅压曲线的斜率稳定地减小就可以看出。而观测的负阈电压随温度升高而降低的变化从栅压截距的改变即可看出。

从定性上讲,当MOS场效应晶体管工作在夹断点以上的饱和电流区时5,由图5.5可以看出随温度变化的类似特点,图中是n沟道增强型器件在漏极电压保持不变时,饱和漏电流平方根对外加栅压的关系。

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应该指出,与p沟道MOS数字集成电路不同,n沟道电路通常是在外加衬底电势情况下工作。因为n沟道MOS场效应晶体管是用电阻率相当高的p型硅衬底制成的,通常是耗尽型,只有加偏压才能获得增强型的特性。因为单位面积表面耗尽区最大电荷密度是随外加衬-源电压而变的,由此可见阈电压随温度的变化率同样受到外加衬底电势的限制。在这样的条件下,从2.3节可知,n沟道MOS晶体管阈电压近似等于

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式中Q'SDmax由(2.78)给出。假定量Qss和фMS'与温度无关。阈电压随温度的变化可以从微分(5.12)得出

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由(2.29)给出在衬-源电压为零时,表面耗尽区单位面积电荷密度的最大值,对于温度的微分,得到

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而从(2.78)得到

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应用(2.78),(5.13),(2.29),(5.14)和(5.16),经过整理,得到阈电压相对于温度的变化率:

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方程(5.17)可以大加简化并归纳成如下形式

MOS管的温度电压特性


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对于用p型衬底(фF为正,Vs小于或等于零伏)制作的n沟道MOS场效应晶体管,方程(5.19)成立。而对于用n型衬底(为负,Vs大于或等于零伏)制作的p沟道MOS场效应晶体管,应用类似的方法即可推导出相似的表达式,由上述方程可见,增加外加衬-源电势的效果是减小阈电压相对于温度的变化率。应当指出,当外加衬-源电压为零时。(5.19)式简化为(5.3)。

正如式(5.19)所预计的,阈电压相对于温度的变化率随外加衬-源电压的增加而减小这个事实的实验证明可从图5.6所列数据即可看出。定性地讲,在饱和漏电流条件下工作的n沟道增强型硅栅MOS场效应晶体管相对于+105和+25℃的阈电压外推值的差,据观测,随反向衬底偏压的增加而减小。定量地讲,随衬底偏压而变的器件阈电压相对于温度的变化率的实验数据实际上比由(5.19)预计的理论值要低些。王(Wang),邓克利(Dunkley),德马萨(DeMassa)和杰斯马(Jelsma)6证明,考虑ous’随温度的变化,即假定image.png不为零,理论和实验之间就可以更好地取得一致。


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