互補式金氧半元件及體電路在低溫下之參數萃取、物理特性及電路效能

Abstract

本論文中，首先回顧低溫下半導體之導通原理及金氧半元件之運作原理。為分析低溫 元件特性，我們選擇SPICE 金氧半二階模型為研究之基礎，並且說明了低溫下元件模 擬的困難處。此外，我們探討了參數萃取的途徑，並且改良了參數萃取的方法以獲得 低溫參數。為設計低溫下運作之電路，我們提出了一些設計上的考慮，包含雜訊特性 、凍結現象、制程技術、匹配問題、能量消耗及熱循環等。 SPICE 金氧半二階模型的直流參數在不同的溫度下被萃取出來。分析它們的溫度關係 ，能了解一些隱含的現象。為了描述低溫特性，我們也建立了一些參數的溫度模型， 尤其簡並態源極及汲極區域之凍結現象被應用於建立橫向散佈長度參數的溫度模型； 而截止電壓的溫度模型也說明了低溫下產生的介面能階需要更大的啟動電壓才能讓元 件工作。 互補式金氧半元件在最佳化前後之模擬及測量結果被提出並比較之。計算及實驗曲線 之適度契合值得注意，尤其NMOS元件在參數最佳化前的模擬及測量結果即能契合得很 好，說明參數萃取方法改善得很好；PMOS元件因為有補償通道，故最佳化前特性曲線 無法準確契合。最佳化時我們也將參數的邊界值設定在所萃取參數的加減百分之十之 內，以避免失去其物理意義。 最後，藉著輸入低溫參數給SPICE 模擬器，我們設計了低溫用放大器，並且分析了溫 度對電路性能的影響。