微电子器件设计

微电子器件设计作业一MOSFET考虑一个理想N沟和P沟MOSFET互补对，要将其设计为偏置相同时的I—V曲线也相同。器件有相同的氧化层厚度tox=25nm，相同的沟道长度L=2pm，假设二氧化硅层是理想的。N沟器件的沟道宽度为W=20pm,pn=600cm2/Vs,%=220cm2/Vs，且保持不变。（a）确定p型和n型衬底掺杂浓度。（b）阈值电压是多少？（c）p沟器件的沟道宽度是多少？设计方案一、分析但实际工业生产中，NMOS和PMOS均做在同一晶片上，即共用同一衬底。在互补MOS技术中，同时用到了NMOS和PMOS，而PMOS器件的实现可以通过将所有的掺杂类型取反。对于本设计来说：互补对：指NMOS和PMOS特性的绝对值相等；偏置相同：指二者所加偏压的绝对值相同，当所加偏置电压相同时I—V、ID—VDS和ID—VGS曲线都分别相同。也即是两个MOS管的阈值电压和偏置相同时的跨导gm均相等。迁移率：由于实际中的有效迁移率受诸多因素（栅电压、衬底浓度不均匀等）的影响，如果要精确确定器件的特性，需要大量的误差计算，以及结合实际实验和设备的有关测量进行准确设计。因此在本设计中，迁移率视为恒定的有效迁移率,。同时，忽略温度的影响，掺杂1/5浓度对载流子有散射作用。在MOS管的反型层中，当表面感生电荷密度小于10e12cm-2时，电子和空穴的有效迁移率均是常数，为半导体内迁移率的一半。模型：因为N沟和P沟MOSFET沟道长度相等，均为L=2pm,属于长沟道器件，该设计整体选定长沟道MOS器件模型。二、确定各参数1、确定p型和n型衬底掺杂浓度、计算P型衬底掺杂浓度衬底浓度时采用半导体载流子扩散模型。根据要求，形成反型层后电子迁移率pn=600cm2/Vs。由于在MOS管的反型层中，表面感生电荷密度小于10e12cm-2时，电子和空穴的有效迁移率是常数，为半导体内迁移率的一半，则半导体内电子迁移率pn=1200cm2/Vso利用半导体载流子扩散模型：r=232+ 1180 cm2/Vs(2.115)n 1+(Na/8x1016)0.9可以计算出：P型衬底浓度为Nap=1.48X1016/cm3、计算N型衬底掺杂浓度形成反型层后的空穴迁移率七=220cm2/Vs,半导体内迁移率那么就为%=440cm2/Vs.利用半导体载流子扩散模型：r=130+1——(Nd/87。10——)——cm2/Vs(2.116)则，P型衬底中n阱的衬底经补偿效应后的有效浓度为:Nd=2.15X10i7/cm3即，Nan=(2.15+0.148)X1017/cm3=2.20X1017/cm3综上，p型衬底掺杂浓度Nap=1.48X1016/cm3n型衬底掺杂浓度Nan=2.20X1017/cm32、确定阈值电压(1)、NMOS阈值电压为：Vt==Vb+叩-Q^ox平带电压膈：Vfb=巾-，ox根据设计要求，控制硅-氧界面中的电荷很低，可忽略硅-氧界面中的电荷，贝Wfb=8即，Vf+卸+M五tmsB Cox对于P型衬底：8=-|g-Wb=-0.56-罗ln(+) (2.181)i根据相关参数取值：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初始阈值电压为：V=-0.93+0.74+0.44=0.25V但是，需要调整阈值电压至0.7V,由于初始阈值电压比日标阈值电压低，可以向沟道区注入带正电荷的杂质以补偿反型层电子来实现，一般掺P，由磷原子替代硅而形成+1价电荷。zn掺入的杂质浓度为：Q=(0.7V—Vt)Cox=3.88X1011/cm3zn qzn(2)PMOS同上NMOS同上NMOS，可得阈值电压为:Cox对于N型衬底：8=2g+WB=0.56+乎ln(:) (2.182)i根据相关参数取值：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型硅衬底，阈值电压中此值取负。）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型硅衬底，阈值电压中此值取负。）Cox初始阈值电压为：V=1.00-0.88-1.82=-1.7V同理，调整阈值电压至-0.7V，初始阈值电压比日标阈值电压低，可向沟道区掺P以使沟道形成正电荷反型层，降低阈值电压。

掺入的杂质浓度为：Qzp=」""x=8.63X1011/cm3综上，初始阈值电压为:N沟器件：N沟器件：V=0.25V阈值电压最终调为：P沟器件：Vt=-1.7VN沟器件：N沟器件：Vt=0.7VP沟器件：Vt=0.7V3、确定p沟器件的沟道宽度由前面分析，偏置相同时跨导g由前面分析，偏置相同时跨导g相等，以NMOS器件工作在饱和区，跨导为:W跨导为:Wx、gm广日cn--（V-v）=日Cpox=日CpoxW十七-VT)带