물리전자공학 프로젝트 Design and analysis of long-channel nMOSFETs

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물리전자공학 프로젝트 Design and analysis of long-channel nMOSFETs에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

전압 은 소스에서 드레인까지 점점 커지면서 다른 전압이 걸리는데 이는 inversion charge의 분포의 변화를 일으킨다. 라는 식으로 표현된다. 즉 유니폼한 분포가 아닌 채널전압의 변화에 따라 inversion charge의 분포도 드레인 쪽으로 갈수록 얇아지는 형태가 된다. 이때 채널전압(드레인 끝점)이 일때, inversion charge density가 0이되는 pinch-off 상태가 되고, 그 이상의 전압을 걸어주었을 때, inversion charge density가 0이되는 끝점이 점차 소스쪽으로 옮겨지는 현상이 발생한다. 이 경우 inversion charge가 없어 저항성이 높은 끝점과 쪽에 모든 전압이 걸려서 가 증가하여도 Ids는 saturate하게 된다. 바로 위 그래프에서 에 대해 linear하게 증가하다가 지점에서 드레인 전류가 거의 saturation함을 볼 수 있다. 흥미로운 점은 이 가 커짐에 따라 같이 커지는 것을 알 수 있는데 이는 pinch-off condition을 통해 타당한 결과임을 알 수 있다. 에서 Vt는 일정하므로 가 증가하면 도 같이 따라 증가하는 것을 확인할 수 있다.
를 0~3V로 변화시키면서 의 값을 그래프로 그리면 위의 네 가지 결과 그래프를 도출했는데 드레인 커런트 식은
에 의해서 위로 볼록한 모양의 의 이차함수의 모양으로 그래프가 그려지게 되고, 가 -보다 큰 범위에서는 으로 고정되어 의 식에 의해서 일정한 전압 값을 갖는 것을 이론적으로 확인하고, 위의 plot을 통해 증명할 수 있다.
L이 고정된 상태에서 의 관점에서 분석해보면, 의 값이 클수록 의 전류값이 증가하는 것을 위의 결과 값들을 통해 확인할 수 있다. 이유는 가 증가할수록 과
식에서의 값이 커지게 되고, 그로인해서 MOSFET의 linear 영역, saturation 영역에서 모두 의 값이 증가하기 때문이다.
가 보다 점차 증가하면서 발생되어지는 channel-length modulation에 의해서 이 L 영향을 미치기 때문이다. 우리와 같은 long-channel nMOSFET의 경우이 총 채널길이 L에 비해 작아서 channel-length modulation효과가 미미해 거의 ideal한 그래프 개형을 갖게 된다. Talyor 공식을 이용해서 식을 보상하여 주면 =의 식으로 도출되어지고, 기울기 를 통해 linear하게 증가하는 것을 실험 결과값을 통해 증명해낼 수 있다. 이상의 전압에서 기울기는 로 이상적인 nMOSFET의 경우 출력저항이 무한대를 가진다는 것도 분석할 수 있다. 또한 위 그래프에서 우리 설계조건인 게이트전압 3V에서 가장 이상적인 nMOSFET의 파형을 가지는 것을 확인할 수 있고 따라서 설계조건을 만족함을 볼 수 있다. P substrate의 doping concentration Na와 n-well의 doping concentration은 각각 Nd=5.0e18/cm3, Na=3.0e16/cm3로 지정하였는데 물리적인 논리는 p형 기판의 도핑보다 n웰의 도핑농도가 훨씬 커야한다는 것이었다. Nd의 농도가 상대적으로 Na보다 약하면 inversion charge layer를 형성하는데 어려움이 있다. 모스캡과 모스펫이 high frequency에서 c-v curve가 다른 특성을 보이는 것도 높은 농도의 n-well에서 빠른 주파수에 충분히 대응할 수 있도록 mobile electron을 제공해 주기 때문이다. 에서 로 si substrate의 도핑 컨센트레이션과 관련이있고 절연체 부분과 역시 si기판의 도핑 컨센트레이션과 관련이 있기 때문에 적절한 를 조정하고 Id-Vds 그래프가 각각 Vg에 대해

키워드

전자공학실험,   nMOSFETs,   모스펫