微電子器件設(shè)計(jì)作業(yè)一MOSFET考慮一個(gè)理想N溝和P溝MOSFET互補(bǔ)對(duì)，要將其設(shè)計(jì)為偏置相同時(shí)的I—V曲線也相同。器件有相同的氧化層厚度tox=25nm，相同的溝道長(zhǎng)度L=2pm，假設(shè)二氧化硅層是理想的。N溝器件的溝道寬度為W=20pm,pn=600cm2/Vs,%=220cm2/Vs，且保持不變。（a）確定p型和n型襯底摻雜濃度。（b）閾值電壓是多少？（c）p溝器件的溝道寬度是多少？設(shè)計(jì)方案一、分析但實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，NMOS和PMOS均做在同一晶片上，即共用同一襯底。在互補(bǔ)MOS技術(shù)中，同時(shí)用到了NMOS和PMOS，而PMOS器件的實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)將所有的摻雜類型取反。對(duì)于本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)：互補(bǔ)對(duì)：指NMOS和PMOS特性的絕對(duì)值相等；偏置相同：指二者所加偏壓的絕對(duì)值相同，當(dāng)所加偏置電壓相同時(shí)I—V、ID—VDS和ID—VGS曲線都分別相同。也即是兩個(gè)MOS管的閾值電壓和偏置相同時(shí)的跨導(dǎo)gm均相等。遷移率：由于實(shí)際中的有效遷移率受諸多因素（柵電壓、襯底濃度不均勻等）的影響，如果要精確確定器件的特性，需要大量的誤差計(jì)算，以及結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)和設(shè)備的有關(guān)測(cè)量進(jìn)行準(zhǔn)確設(shè)計(jì)。因此在本設(shè)計(jì)中，遷移率視為恒定的有效遷移率,。同時(shí)，忽略溫度的影響，摻雜1/5濃度對(duì)載流子有散射作用。在MOS管的反型層中，當(dāng)表面感生電荷密度小于10e12cm-2時(shí)，電子和空穴的有效遷移率均是常數(shù)，為半導(dǎo)體內(nèi)遷移率的一半。模型：因?yàn)镹溝和P溝MOSFET溝道長(zhǎng)度相等，均為L(zhǎng)=2pm,屬于長(zhǎng)溝道器件，該設(shè)計(jì)整體選定長(zhǎng)溝道MOS器件模型。二、確定各參數(shù)1、確定p型和n型襯底摻雜濃度、計(jì)算P型襯底摻雜濃度襯底濃度時(shí)采用半導(dǎo)體載流子擴(kuò)散模型。根據(jù)要求，形成反型層后電子遷移率pn=600cm2/Vs。由于在MOS管的反型層中，表面感生電荷密度小于10e12cm-2時(shí)，電子和空穴的有效遷移率是常數(shù)，為半導(dǎo)體內(nèi)遷移率的一半，則半導(dǎo)體內(nèi)電子遷移率pn=1200cm2/Vso利用半導(dǎo)體載流子擴(kuò)散模型：r=232+ 1180 cm2/Vs(2.115)n 1+(Na/8x1016)0.9可以計(jì)算出：P型襯底濃度為Nap=1.48X1016/cm3、計(jì)算N型襯底摻雜濃度形成反型層后的空穴遷移率七=220cm2/Vs,半導(dǎo)體內(nèi)遷移率那么就為%=440cm2/Vs.利用半導(dǎo)體載流子擴(kuò)散模型：r=130+1——(Nd/87。10——)——cm2/Vs(2.116)則，P型襯底中n阱的襯底經(jīng)補(bǔ)償效應(yīng)后的有效濃度為:Nd=2.15X10i7/cm3即，Nan=(2.15+0.148)X1017/cm3=2.20X1017/cm3綜上，p型襯底摻雜濃度Nap=1.48X1016/cm3n型襯底摻雜濃度Nan=2.20X1017/cm32、確定閾值電壓(1)、NMOS閾值電壓為：Vt==Vb+叩-Q^ox平帶電壓膈：Vfb=巾-，ox根據(jù)設(shè)計(jì)要求，控制硅-氧界面中的電荷很低，可忽略硅-氧界面中的電荷，貝Wfb=8即，Vf+卸+M五tmsB Cox對(duì)于P型襯底：8=-|g-Wb=-0.56-羅ln(+) (2.181)i根據(jù)相關(guān)參數(shù)取值：n=1.06X10i0/cm3 q=1.6X10-M解得：8=-0.56-0.37=-0.93V,叩=2^1ln(L)=0.74VBq口且，c=509250X6.9fF/um2=1.38X10-7F/cm2%=1.04X10-12F/cm

解得：五!五二0.44VCox初始閾值電壓為：V=-0.93+0.74+0.44=0.25V但是，需要調(diào)整閾值電壓至0.7V,由于初始閾值電壓比日標(biāo)閾值電壓低，可以向溝道區(qū)注入帶正電荷的雜質(zhì)以補(bǔ)償反型層電子來(lái)實(shí)現(xiàn)，一般摻P，由磷原子替代硅而形成+1價(jià)電荷。zn摻入的雜質(zhì)濃度為：Q=(0.7V—Vt)Cox=3.88X1011/cm3zn qzn(2)PMOS同上NMOS同上NMOS，可得閾值電壓為:Cox對(duì)于N型襯底：8=2g+WB=0.56+乎ln(:) (2.182)i根據(jù)相關(guān)參數(shù)取值：n=1.06X1010/cm3 q=1.6X10-i￡解得：^=0.56+0.44=1.00V,叩=竺1ln（Nd）=0.88V（PMOS管采用N型硅襯底，閾值電壓中此值取負(fù)。）Bqn.且，c=509250X6.9fF/um2=1.38X10-7F/cm2es=1.04X10-12F/cm解得，上4罕、h=L82V （PMOS管采用N型硅襯底，閾值電壓中此值取負(fù)。）Cox初始閾值電壓為：V=1.00-0.88-1.82=-1.7V同理，調(diào)整閾值電壓至-0.7V，初始閾值電壓比日標(biāo)閾值電壓低，可向溝道區(qū)摻P以使溝道形成正電荷反型層，降低閾值電壓。

摻入的雜質(zhì)濃度為：Qzp=」""x=8.63X1011/cm3綜上，初始閾值電壓為:N溝器件：N溝器件：V=0.25V閾值電壓最終調(diào)為：P溝器件：Vt=-1.7VN溝器件：N溝器件：Vt=0.7VP溝器件：Vt=0.7V3、確定p溝器件的溝道寬度由前面分析，偏置相同時(shí)跨導(dǎo)g由前面分析，偏置相同時(shí)跨導(dǎo)g相等，以NMOS器件工作在飽和區(qū)，跨導(dǎo)為:W跨導(dǎo)為:Wx、gm廣日cn--（V-v）=日Cpox=日CpoxW十七-VT)帶