10、MOSFET特性与设计解析

MOSFET特性与设计解析

1. 载流子渡越时间

载流子渡越时间是衡量MOSFET性能的一个重要指标。对于长沟道MOSFET，载流子渡越时间 ( t_t ) 的计算公式为：
( t_t = \frac{L^2}{\mu V_{DS}} )
从这个公式可以看出，渡越时间与沟道长度的平方成正比。这意味着沟道长度的增加会导致渡越时间显著增加，从而影响器件的开关速度。

1.1 长沟道n - MOSFET渡越时间示例

以一个具有5μm沟道长度的n沟道MOSFET在5V的CMOS电路中为例，假设电子迁移率 ( \mu_n ) 为580 ( cm^2/Vs )，根据上述公式计算渡越时间：
( t_t = \frac{L^2}{\mu V_{DS}} = \frac{(5 \times 10^{-4} cm)^2}{(580 cm^2/Vs)(5 V)} = 86 ps )
当电路的传播延迟大于渡越时间时，准静态近似是适用的。

2. 短沟道MOSFET特性

随着MOSFET尺寸的不断缩小，短沟道MOSFET展现出与长沟道器件不同的特性。这些特性对高性能CMOS电路的设计具有重要影响。

2.1 短沟道效应（SCE）

短沟道效应使得阈值电压成为沟道长度和宽度的函数。具体来说，随着沟道长度的减小，阈值电压的绝对值会降低。这可以通过电荷共享模型来理解，在短沟道MOSFET中，源极和漏极耗尽区的一些电场线会终止在栅极下方的电荷上，导致栅极下方的耗尽层电荷与源极和漏极共享。因此，阈值电压的降低量 ( \Delta V_T ) 可以近似表示为：
( \Delta V_T