Simulation von Feldeffekttransistoren bei kleinen Drainströmen

23 Pages·1978·1.24 MB·German

by  Prof. Dr. -Ing. Horst Gad (auth.)

FORSCHUNGSBERICHT DES LANDES NORDRHEIN -WESTF ALEN
Nr. 2705/Fachgruppe Elektrotechnik/Optik
Herausgegeben im Auftrage des Ministerprasidenten Heinz Kuhn
vom Minister fur Wissenschaft und Forschung Johannes Rau
Prof. Dr. - Ing. Horst Gad
Fachhochschule Lippe, Lemgo
Labor fUr Elektronische Bauelemente und Netzwerke
Simulation von F eldeffekttransistoren
bei kleinen Drainstromen
Westdeutscher Verlag 1978
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Gad, Horst
Simulation von Feldeffekttransistoren bei
kleinen Drainstromen. - 1. Aufl. - Opladen:
Westdeutscher Verlag, 1978.
(Forschungsberichte des Landes Nordrhein
Westfalen; Nr. 2705 Fachgruppe Elektro
technik, Optik)
ISBN-13: 978-3-531-02705-0 e-ISBN-13: 978-3-322-88393-3
001: 10.1007/978-3-322-88393-3
© 1978 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen
Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag
Inhalt
.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1. Einftihrung 5
2. Kennlinien-Modell ....•...............•................ 5
3. Pararneter-Bestimrnung ..•.....................•......... 12
4. Ubertragungskennlinie 12
5. Anwendung des Modells 12
6. Zusamrnenfassung 20
7. Literatur ....•........•.....•....•.•...••....•..•..... 21
8. Anhang ...•.•..•...•.•.....................•........... 22
3
1. Einfuhrung
Zur Berechnung von Feldeffekttransistoren stehen eine Vielzahl
von Kennlinienapproximationen [1, 2, 5, 6, 7, 9 bis 19] zur Ver
fugung. Zu unterscheiden sind physikalisch exakt abgeleitete Mo
delle und Curve-Fitting-Modelle. Fur allgemeine Schaltungsberech
nungen sind physikalisch exakte Madelle nur dann anwendbar, wenn
dies in engem Zusammenhang mit der Herstellung des Bauelementes
oder der Schaltung etwa als monolithisch integrierte Schaltung
geschieht. Denn dann stehen auch die notwendigen technologischen
Parameter zur Verfugung. AuBerdem werden bereits einfachste Be
rechnungen bei Verwendung dieser Madelle mathematisch sehr
schnell unubersichtlich. Einschrankungen bzw. Vereinfachungen
fuhren leicht vom exakten Modell zum Curve-Fitting-Modell. Ins
besondere ist dies der Fall, wenn die Parameter des verwendeten
Modells aus dem Klemmenverhalten des Feldeffekttransistors ermit
telt werden mussen.
Bei Aussteuerungen im Sattigungsgebiet ist die Ubertragungs
Charakteristik !ID(UGS, UDS = canst.) angenahert eine Gerade. Bei
graBen und kleinen Drainstromen ist dieser Zusammenhang nicht ge
geben. Bei kleinen Drainstromen zeigt die Ubertragungs-Charakte
ristik einen exponentiellen Verlauf. Dieses Kennliniengebiet wird
Subthreshold- oder Weak-Inversion-Bereich genannt. Fur den qua
dratischen Teil sind die Bezeichnungen Threshold- oder Strong
Inversion-Bereich ublich. Das exponentielle Gebiet und der Zwi
schenbereich sind im Hinblick auf die Schaltungsberechnungen Ge
genstand des vorliegenden Beitrags.
Auf die Problematik bei graBen Drainstromen ist hier nicht wei
ter eingegangen.
Ausgehend vom Verhalten des Feldeffekttransistors mit isoliertem
Gate (MOSFET) wird ein neues Kennlinien-Modell im Hinblick auf
schaltungstechnische Anwendungen eingefuhrt. Experimentell wird
gezeigt, daB dieses neuartige Modell auch beim Sperrschicht
Feldeffekttransistor eingesetzt werden kann.
Einsatzgebiete des Modells sind beispielsweise Konstantstrom
quellen und Differenzverstarker.
2. Kennlinien-Modell
Wenn im mittleren Drainstrom-Bereich, beim BFR 29 etwa
0,5 rnA < ID < 3 rnA, ausgesteuert wird, kann die klassische
Kennliniengleichung
~ (UGS - U )2 ( 1 )
th Sattigung
5
mit den Parametern B und Uth bei Aussteuerung im Sattigungsge
biet benutzt werden.
Nach Gl. (1) ist IO = 0 fUr UGS = Uth. Dies stimmt nicht mit dem
gemessenen Verlauf Uberein. FUr den Subthreshold-Bereich stehen
verschiedene Modelle zur VerfUgung [5, 10 bis 13, 15 bis 19]. Ne
ben van Overstraeten [18, 19] gibt Swanson [10] ein fUr Schal
tungsberechnungen praktikables Subthreshold-Modell an.
FUr den Subthreshold-Bereich gilt nach [10] fUr den selbstsper
renden n-Kanal-MOSFET (off-n-M[OS FET)
m
n
~
Io Bn(nn qkT) 2 m1 1 - e (- nn kT UDS)] •
n
(2)
In:kT
~Ti
(UGS - Uth - n n
Es bedeuten:
IO > 0 Orainstrom des off-n-MOSFET
IBnl LZ ]In Cox material- und geometrieabhangige
Konstante
Z Kanalbreite
L KanalUinge
]In effektive Elektronenbeweglichkeit im
Kanal
C flachenbezogene Oxidkapazitat
ox
n Index, bezeichnet den n-Kanal-MOSFET
Cd + Cfs + Co x
nn Kapazitatsfaktor
Cox
dQB flachenbezogene Oepletion
Cd - dillS Kapazitat
QB flachenbezogene Ladung der Oepletion
Region
Ills Oberflachenpotential
Cfs q NSS flachenbezogene Fast-States-Kapazitat
q Betrag der Elementarladung
flachenbezogene Oberflachenzustands
NSS
dichte (surface state density)
k Boltzmannkonstante
T Temperatur in Kelvin
kT
q UT '" 26 mV Temperaturspannung bei Raumtemperatur
Co x + Cd
m Kapazitatsfaktor
n C
ox
6
Drain-Source-Spannung des off-n-MOSFET
Gate-Source-Spannung des off-n-MOSFET
Schwellspannung des off-n-MOSFET
(3)
Flachbandspannung
Potentialdifferenz zwischen dem Intrin
sic-Niveau (midgap) und dem Fermipoten
tial des Substrats
Quasi-Ferminiveau der Elektronen
Dielektrizitatskonstante des Halb
leiters
Substratdotierung des off-n-MOSFET
In Anlehnung an Gl. (2) wird ein ftir Schaltungsberechnungen ge
eignetes Subthreshold-Modell der Form
(4)
Subthreshold
eingeftihrt. Damit gilt allgemein
I
c,1 = n UT (5)
und
- m UDS]
[ '-e C,
c2 = .m@. C , 2 (6)
Durch die Vorzeichen der Parameter C" C2' C3 und Uth konnen die
verschiedenen FET-Typen berticksichtigt werden (Abb. , und 2).
Der Parameter C3 reprasentiert einen Anteil des Drainstromes,
der nicht von UG~ beeinfluBt wird. Er liegt in der GroBenordnung
von 0,' pA < IC31 < '000 pA. Wegen seiner relativen Kleinheit
kann meist C3 gegentiber dem Betriebsstrom ID vernachlassigt blei
ben.
Die beiden Parameter C, und C2 liegen in der GroBenordnung von
30 mV < I c,1 < '00 mV und , ]lA < I c21 < 50 ]lAo Die Einfltisse der
Parameter C, und C2 lassen sich anschaulich darstellen, wenn der
Drainstrom im logarithmischen MaBstab tiber der Gate-Source-Span
nung im linearen MaBstab aufgetragen wird. Gl. (4) zeigt dann in
einem wei ten Bereich den VeCr,l auf einer Geraden. Die Abb. 3 und
4 zeigen die Einfltisse von und C3 auf die Gerade. Bei UGS=Uth
liegt ein DrehpuCn,k t der Geraden, in der Abbildung durch ein D
gekennzeichnet. bewirkt bei konstantgehaCl,t enem C2 eine Drehung
der Geraden urn den Punkt Do. Wird dagegen konstant gehalten,
so wird durch C2 die Gerade parallel verschoben.
7
0 0 n
> < e
C,C23 nal o8nal C,C23 T-Typ
,1 Ka Ka ,1 FE
C - - C
S, n p S, er
i
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J IO 1 1n. UGS IO er f
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1
b.
b
A
Xl
(
log. Teilung
/
UDS canst.
n-Kanal p-Kanal
. 1
-c <0 -c >0
1n 1p
-
o
,(TeilUng
U > 0
Abb. 2: Prinzipbild zur Bedeutung des Parameters C1
gemaB Gl. (4)
U = UGS - Uth
9
/ C10
1
./'"
log. Teilung
/
/
ID > 0 / C1 > C10
/
canst.
o U > 0 ------~. ... lin. Teilung
Abb. 3: EinfluB des Parameters C1 auf die Ubertragungs
Charakteristik gemaB Gl. (4) U = UGS - Uth
/
log. Teilung
/
/
/
/
canst.
/
o U > 0 ------~. ~. lin. Teilung
Abb. 4: EinfluB des Parameters C2 auf die Ubertragungs
Charakteristik gemaB Gl. (4) U = UGS - Uth
10