超大规模集成电路中的非理想性

自20世纪40年代末至50年代初发明晶体管以来，它一直是电子器件中最主要的元件，它使现代技术得到了极大的提高。摩尔定律和Dennard缩放已经描述了改进现代IC设计中的晶体管的功能尺寸和性能的需要；也就是说，每24个月就需要将某个芯片中的晶体管数量增加一倍。

由于这种改进，早期的晶体管电路(几毫米)与现代的晶体管电路(跨度只有几纳米)相比，在性能、工作点和内在特性上都有明显的差异。

在这篇文章中，我们将讨论理想的MOS晶体管分析模型和由于MOS晶体管的功能尺寸和设计的不断改进而产生的非理想性。另外，我们将讨论在实际实现之前，介绍了在MOS晶体管中引入非理想（SNI）的设计方法，以正确模拟仿真中的VLSI电路。

背景资料：源极和漏极

考虑图1中的基本晶体管图。当没有电压施加到栅极(g)上时，称该晶体管处于OFF状态。 

图1.基本晶体管工作模式

如果施加较小的栅极电压（Vgs Vt），则会在漏极（d）和源极（s）之间创建一个通道，从而使漏极-源极电流（Ids）流动。

在导通状态下，漏极电流（Ids）与漏极电压（Vds）线性增加，直到（Vds = Vgs = Vdsat），之后漏极电流保持恒定。如果漏极电压进一步增加到该值（Vds > Vdsat），此时晶体管可能会产生其最大电流限制，该晶体管将处于饱和状态。举例来说，如果你不停地消耗大量的食物，根据你的体力限制，你能做的工作是有最大限度的，也就是说，你消耗再多的食物都被认为是浪费了。同样，晶体管也受到它的物理限制，如它的特征尺寸（W和L）和它的掺杂水平（它所包含的杂质数量）的限制。

因此，此图示称为长沟道模型，其栅极长度为（L）宽度为（W）的晶体管的漏源电流为 ：

动机

IC设计人员试图改变晶体管的W/L，以便在芯片上装入更多的元件。他们尝试将晶体管塞满芯片的次数越多，面对晶体管的物理限制就越多。

所以，多年来，随着晶体管尺寸从微米到纳米技术的发展，上面所说的大多数假设并不能完美地模拟真实晶体管的工作。例如，当说晶体管处于关闭状态时，电流被假定为零，但在实际意义上，晶体管的两端之间存在亚阈值电流泄漏，这些电流在理想状态下可以忽略不计，在纳安培(nA)的数量级，但当乘以器件中数百万-数十亿个晶体管时，这些电流是非常大的。

例如，当你关闭手机后，你想让你的电池保持在关机时的水平，所以泄漏电流是设计师在模拟设计时必须处理的问题。

其次，理想情况下晶体管在饱和模式下保持最大电流恒定，但在实际晶体管中，电流以较慢的速度增长，这就破坏了提供恒定电流的目的。

因此，在本节中，我们将介绍导致这些非理想行为的每个机制，以及设计者如何在设计流程中正确地模拟晶体管。

速度饱和度和迁移率降低

速度饱和会导致在高VDS时较低的I DS。由于较高的电压导致沿通道的电场强度较高，这会导致载流子更频繁地发生碰撞，从而导致载流子的迁移率下降。

载体也有物理限制，因此它只能维持一定的最大平均速度，这称为速度饱和。（Chen，etal。，1997）和（Chen，Hu，Fang，Lin，＆Wollesen，1997）给出了与这种情况相匹配的通用模型，其中迁移率（µ）替换为有效迁移率（µeff）。

通道长度调制

在理想的晶体管中，当晶体管处于饱和模式时IDs独立于 VDs，使晶体管成为恒定电流源。但实际上，Vds（漏极-源极电压）沿沟道壁形成耗尽层（Ld），这使有效沟道长度小于实际沟道长度，从而使有效长度（Leff = L） – Ld）。 

因此，随着Vds的增加，Leff变得相对较短，从而导致横向场强度降低。由于电场强度（E）与通道长度成正比。这种降低的场强将I ds的可变性推回到线性区域，这使I ds随着V ds的饱和而增加。 

图2. 耗尽区缩短了有效沟道长度

在这种情况下，可以通过将I ds乘以依赖于早期电压VA的因数来更好地建模， 如（Gray，Hurst，Lewis，＆Meyer，2001）中所述。

阈值电压（Vt）的影响

 理想情况下，阈值电压(Vt)被认为是恒定的，但实际上，它随体电压(源体电压，Vsb)、漏极电压甚至通道长度而变化。

首先，从图2中的晶体管，当应用Vsb时，它增加了晶体管打开所需的阈值电压(Vt)。记住这一点，Vt可以被重新建模为

更多信息见(Tsividis,1999)。

其次，沿通道产生电场的漏极电压会引起漏极诱导屏障降低(DIBL)，从而导致阈值电压以DIBL系数表示的因子降低。 

通常情况下，Vt随着通道长度的增加而增加，但当施加Vds时，由于耗尽区的存在，通道长度会减少，因此，会造成所谓的Vsb滚落（减少）。 

泄漏

当晶体管截止时，假定漏-源电流为零。实际上，由于亚阈值导通和结泄漏，它们会泄漏少量电流。

对于亚阈值泄漏，假定当V gs

图3.  IV-特性曲线表示的指数下降DS在VGS 

对于结泄漏，我们观察到该晶体管是扩散和衬底/阱之间的基本PN / NP结二极管。当晶体管处于截止状态时，源极-栅极结二极管被反向偏置。但是，反向偏置的二极管仍会传导经典二极管方程式给出的少量电流：

温度也是一个巨大的非理想性机制，因为它主要影响到迄今为止讨论的其他非理想性。例如，亚阈值泄漏随温度增加。阈值电压(Vt)也会随着温度的升高而降低，这使其易于受到DIBL和亚阈值导通的影响。一般来说，它更适合在低温下工作，因为它能显著降低速度饱和和迁移率降低。

几何依赖性

Layout设计人员通常绘制具有一定沟道长度（Ldrawn）和宽度（Wdrawn）的晶体管。但实际的栅极/沟道长度尺寸可能会因制造工艺的不同而有所偏离。这将导致晶体管的尺寸小于/多于预期的尺寸，因此它将影响阈值电压和有效沟道长度和速度饱和效应，这可能会导致一些非理想性，如前文所述。这种非理想性的模型如下所示；LD 和WD取决于制造过程。