MOS器件的特性分析

MOS器件的特性分析摘要本次实验以型号为2N7000的NMOS，型号为BS250的PMOS的两款器件为测试条件，使用吉士利仪器测出I—V曲线与C—V曲线,测量出增强型NMOS与增强型PMOS的输出特性曲线，转移特性曲线，栅源电容，栅漏电容。各个测量结果在下文进行一一说明，曲线趋势据符合理论预测。引言过去数十年来，MOSFET的尺寸不断地变小。早期的集成电路MOSFET制程里，通道长度约在几个微米的等级。但是到了今日的集成电路制程，这个参数已经缩小了几十倍甚至超过一百倍。2012年初，Intel开始以22纳米的技术来制造新一代的微处理器，实际的元件通道长度可能比这个数字还小一些。至90年代末，MOSFET尺寸不断缩小，让集成电路的效能大大提升，而从历史的角度来看，这些技术上的突破和半导体制程的进步有著密不可分的关系。本实验是从MOS器件最基本特性入手，但同时这些性质在实际用途有着重要的作用，为我们进一步了解MOS打下较为扎实的基础。实验仪器与方法利用吉士利仪器2602测得的NMOS与PMOS器件的参数及取值范围。NMOS器件2N7000和PMOS器件BS250Vgs：2v-3vVds：0v-3v数据处理与讨论1、NMOS特性曲线图1、Cgd---Vgd曲线

图2、Cgs---Vgs曲线栅漏电容－电压与栅源电容－电压关系是一样，因为MOS器件两端是对称的，而在测量时只需测需要的的两端，因此结果一致。在栅漏对交流短路的情况下，当栅源电压VgS增加AVGS寸，沟道内载流子电荷的变化量。根据半导体物理与器件的NMOS电容特性的分析，以及实验所取的频率可知为低频强反型型寸的栅压和电容关系与图中所得曲线相符。图3、输出特性曲线当VGS—VTVDS，NMOS进入饱和区，此时源漏电流与Vds无关，满足关系式Y

dsW卩Cn——dsW卩Cn——ox2L(VGS—VT)2,W为NMOS沟道宽度，L为沟道长度,n为电子迁移率，W卩CVgnoxT为阈值电压。跨导为'm=£(VGS-P，饱和区的跨导随着Vgs的提高而增大，但由输出特性曲线可以看出在饱和区时，Ids随着Vds的增加有微弱的增加，这是因为有效沟道调制效应造成的结果。当VGS一VTVDS时，Vsat向源端移动，即夹断点向源V二V-V端移动，但夹断点的电压依然为satGST，有效沟道长度减小，导致电阻减小，因此源漏电流才会有所增加，但在长沟道MOS器件并不显著，但在短沟道且比较突出。V-VGST时，器件处于线性区仃W“nCox[(V-V)V-1V2]V-VGST时，器件处于线性区仃W卩C“gW卩C“gnoxVm=£DS，当VDS很小时，可以把MOS看成受栅电压控制的电阻，称为通导电阻Ron=叭C(V_V)，输出特性曲线开始一部分可以近似为直线，斜率就是noxGST通道电阻的倒数。图4、NMOS的转移特性曲线因为这次Vds保持不变，转移特性曲线近2.5v以后之所以是平的，是因为仪

器的限流作用，所以此次有效区域大约在1.5"口2.5V，小于1.5v器件就截止了,这一段区域器件将保持饱和区。随着Vgs的增加，跨导必然增加，此时的gm=0-0338768s

VdsPMOS的输出特性曲线与NMOS的差别是阈值电压为负，且栅源电压要小于阈值电压才能导通，并且负的越厉害,沟道中的自由移动电荷越多，电流越大。Vgs(V)PMOS的转移特性曲线左边电流不变是因为设备的限流作用导致的，右边的电流为0,是因为截止状态，栅源电压大于阈值电压。5.00E-0114.00E-011)F(dg3.00E-0112.00E-0115.00E-0114.00E-011)F(dg3.00E-0112.00E-011-50Vgd(V)-50Vgd(V)在100hz高频下PMOS的电容随电压增大，趋势如图基本一致5.00E-0114.00E-0113.00E-011Cgs(F)I5.00E-0114.00E-0113.00E-011Cgs(F)I5耗尽，堆积时的电容特性趋势5耗尽，堆积时的电容特性趋势从左-50Vgs(V)由PMOS的电容电压特性分析可知，强反型，中反型到右正和上图一样，上图和分析一致V结论：⑴跨导的计算对于NMOS的阈值电压可从转移特性曲线中求出斜率，我通过origin自带的工具得出跨导,gm=0.00283374s到gm=°-0338768s的范围变动，这都是饱和区的跨导。⑵沟道迁移率的计算由于饱和区电流Ids=1/2卩CW(Vgs-V)2noxLT在转移特性曲线饱和区读一组数据Vgs=2.2vIds=0.003963AVt=1.9v代入可得W卩C=0.088,知道栅氧化层厚度和宽长比就可以进一步求出迁移率。PM0S同理。noxL本次试验使我们对NMOS与PMOS器件结构和性质有了更进一步的理解。对测量仪器有了较为熟悉的掌握。参考文献DonaldA.Neam