阈值电压的计算.pdf

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1、阈值电压的计算――look&think一开始学习MOS管的工作原理，就引入了阈值电压的概念，但教科书所讲的阈值电压的概念都是建立在器件比较理想的模型基础上的，对于实际的器件，从线性区到饱和区的转换是有一个过渡区的，此时对阈值电压的定义需要遵循一定的标准。经常发生的一个问题是，不同工艺线中相类似的器件作比较时，因为没有确定一个统一的标准，导致工艺的比较不是非常的科学准确。本文就对阈值电压的定义方法作一些简单的讨论，尝试对业界现在流行的方法作出更详细的解释。根据JEDECSTANDARDJESD-28的规定计

2、算方法(JEDEC14.2.2–HotCarrierWorkingGroup---June15,1995)，有两种计算阈值电压的方法：A.‘4.13Constantcurrentthresholdvoltage(VT(ci))’，定义方法为⎛⎞WVVI==⎜⎟@0.1μA•(1)Tci()GSD⎝⎠LB.‘4.14Extrapolatedthresholdvoltage(VT(ext))’，定义方法为Ig()Dm(max)VV=−()g(2)Text()GSm(max)gm(max)同时，标准给出了测试时

3、VDS的推荐值：VDS=0.1V(forVDD=5V)。方法A易于操作，在早期的阈值电压测试中常用，随着工艺的先进，这种方法不够准确，方法B逐渐开始采用，但实际上JEDEC定义的不够准确，它是把VDS忽略掉了。正确的计算方法是，根据线性区的电流方程：Weff⎛⎞1I=−CVVVVμ⎜⎟−iDSoxGSTHDSDSLeff⎝⎠2如果ddμ/V=0，则有GS∂IDSWeffgC==μVmoxDS∂VLGSeff设VV=@g，则有GS1(GSmmax)⎛⎞1IgVVV=−i⎜⎟−DS1(mmax)GSTHDS⎝

4、⎠2得到I1DS1VV=−−V(3)THGS1DSg2m(max)公式(3)比公式(2)多减去一个VDS2。估计公式(2)是考虑晶体管在深度线性区，忽略了VDS。我用Hspice仿真的方法，用A、B两种方法计算了某0.18um工艺中NMOS的阈值电压，取VDS=0.1V。下面是计算结果：1.W=1u,L=1u.方法A：在波形图上测量到ID=0.1uA时，VGS=0.356V，那么VT(ci)=0.356V；ID=1uA时，VGS=0.467V方法B.：在波形图上测量到gm(max)=29.6u，此时VGS

5、约为0.675~0.679V，就取VGS=0.677V，此时ID＝6.4895uA，代入公式(3)，得到VT(ext)=0.408V。同时用Hspice中的vth(M*)输出，得到Vth=0.406V应该说方法B和vth()的输出是一样的。感觉上方法A取0.1uA似乎小了些。下图分别是ID和gm的曲线。2.W=10u,L=1u.方法A：在波形图上测量到ID=1uA时，VGS=0.361V，那么VT(ci)=0.361V；ID=10uA时，VGS=0.471V；方法B.：在波形图上测量到gm(max)=31

6、1.4u，此时VGS=0.683V，此时ID＝68.11uA，代入公式(3)，得到VT(ext)=0.414V。同时用Hspice中的vth()输出，得到Vth=0.414V三种计算方法得到的结果与上相同。还有一点，我一直反对直接将spicemodel中的VTH0——不是刚才我提到的hpsice计算出来的vth()——作为器件的阈值电压，我认为它只是借用了理想模型中的阈值电压的概念，对应于该spicemodel中计算电性能的一个参数，也许它比较接近本文中定义的阈值电压，但这并不表示它们是同一个数据。概念是

7、很重要的，仅仅得到一个/一次看上去正确的结果是远远不够的。