一种短沟道PMOS管负偏置温度不稳定性的等效电路

一种短沟道pmos管负偏置温度不稳定性的等效电路
技术领域
1.本发明涉及电学技术领域，具体涉及一种短沟道pmos管负偏置温度不稳定性的等效电路。


背景技术：

2.负偏置温度不稳定性(nbti效应)是指在纳米级pmos器件中，在强场负栅压和高温的作用下pmos管表现出来的器件退化，nbti效应主要是在高温的条件下si/sio2界面处si
‑
h发生电化学反应产生nit和反型沟道的空穴引起退化，其中跨导和漏电流变小，阈值电压斜率减小以及亚阈值电压向负方向飘移和栅电流增大。其中在nbti应力的作用下，阈值电压漂移引起的缺陷主要集中在栅极与源漏区的交叠和栅的边缘处，在短沟道中，nbti退化区域占整个沟道的相对面积增大，也就是说沟道越短，产生的nbti效应越明显，对器件的性能也造成了越来越严重的影响。随着nbti的不断退化，使pmos器件的电学参数持续退化，其退化前后的输出特性曲线对比如图1所示，转移特性曲线对比如图2所示。沟道中负偏置温度不稳定性退化的过程与器件所受的应力关系、温度、器件尺寸等因素关系密切。
3.目前在cmos电路仿真软件中仿真负偏置温度不稳定性效应对电路可靠性的影响时，通常会研究单个影响因素对pmos管退化的影响。而本发明的发明人经过研究发现，虽然之前的这些经验模型在一定的范围内能够反应各个因素对pmos管退化的影响，但是针对各个因素共同对pmos管退化的影响的研究还很缺乏。


技术实现要素：

4.针对现有在cmos电路仿真软件中仿真负偏置温度不稳定性效应对电路可靠性的影响时，通常会研究单个影响因素对pmos管退化的影响，虽然之前的这些经验模型在一定的范围内能够反应各个因素对pmos管退化的影响，但是针对各个因素共同对pmos管退化的影响的研究还很缺乏的技术问题，本发明提供一种短沟道pmos管负偏置温度不稳定性的等效电路。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
6.一种短沟道pmos管负偏置温度不稳定性的等效电路，包括一个pmos管、一个压控电压源、第一压控电流源和第二压控电流源、一个加法器、第一至第六乘法器、第一至第十三电压源及一个接地端；具体地，
7.压控电压源的正极接pmos管的栅极，负极悬空，控制端的负极接地，控制端的正极接第四乘法器的输出端，压控电压源的控制系数为0.29；
8.第一压控电流源的正极接pmos管的源极，负极接pmos管的漏极，控制端的负极接地，控制端的正极接第二乘法器的输出端，第一压控电流源的控制系数设置为1*10
‑
10
；
9.第二压控电流源的正极接pmos管的栅极，负极接pmos管的源极，控制端的负极接地，控制端的正极接第六乘法器的输出端，第二压控电流源的控制系数设置为1*10
‑
10
；
10.加法器的第一输入端接pmos管的漏极，第二输入端接pmos管的栅极，输出端接第
一乘法器的第一输入端，加法器的第一输入端的输入系数为0.0006，第二输入端的输入系数为
‑
0.002*(2
‑
0.1/(vd+1))，加法器用于实现漏极应力电压乘以第一输入端的输入系数、栅极应力电压乘以第二输入端的输入系数后两者相加的功能；
11.第一乘法器的第一输入端接加法器的输出端，第二输入端接第一电压源的正极，输出端接第二乘法器的第一输入端，第一乘法器用于实现将加法器的输出电压值与第一电压源的电压值相乘的功能；
12.第一电压源的正极接第一乘法器的第二输入端，负极接地，第一电压源的电压值设置为0.4
‑
1/(t/3000+0.5)，实现电压值随退化时间的增加而增加的功能；
13.第二乘法器的第一输入端接第一乘法器的输出端，第二输入端接第二电压源的正极，输出端接第一压控电流源的控制端正极，第二乘法器用于实现将第一乘法器的输出电压值与第二电压源的电压值相乘的功能；
14.第二电压源的正极接第二乘法器的第二输入端，负极接第三电压源的正极，第二电压源的电压值设置为0.001*(temp+270)，实现电压值随温度的增加而增加的功能；
15.第三电压源的正极接第二电压源的负极，负极接地，第三电压源的电压值设置为0.5/(l+0.6/1000000)/10000000，实现电压值随pmos管的长度增加而减小的功能或者随pmos管的宽度增加而增加的功能；
16.第三乘法器的第一输入端接第四电压源的正极，第二输入端接第五电压源的正极，输出端接第四乘法器的第一输入端，第三乘法器用于实现将第四电压源的电压值与第五电压源的电压值相乘的功能；
17.第四电压源的正极接第三乘法器的第一输入端，负极接地，第四电压源的电压值设置为(
‑
(1+0.1*vd)/(vg
‑
10))
‑
0.12)，实现电压值随pmos管的栅极和源极之间的电压应力的变化而变化功能；
18.第五电压源的正极接第三乘法器的第二输入端，负极接地，第五电压源的电压值设置为0.8
‑
2/(t+2.5))，实现电压值随退化时间的增加而增加的功能；
19.第四乘法器的第一输入端接第三乘法器的输出端，第二输入端接第六电压源的正极，输出端接压控电压源的控制端正极，第四乘法器用于实现将第三乘法器的输出电压值与第六电压源的电压值相乘的功能；
20.第六电压源的正极接第四乘法器的第二输入端，负极接第七电压源的正极，第六电压源的电压值设置为w*1000，实现电压值随pmos管的宽度的增加而增加的功能；
21.第七电压源的正极接第六电压源的负极，负极接第八电压源的正极，第七电压源的电压值设置为0.5/(l+0.65/1000000)/10000000，实现电压值随pmos管的长度的增加而减小的功能；
22.第八电压源的正极接第七电压源的负极，负极接地，第八电压源的电压值设置为0.0001*(temp+270)，实现电压值随温度的增加而增加的功能；
23.第五乘法器的第一输入端接第九电压源的正极，第二输入端接第十电压源的正极，输出端接第六乘法器的第一输入端，第五乘法器用于实现将第九电压源的电压值与第十电压源的电压值相乘的功能；
24.第九电压源的正极接第五乘法器的第一输入端，负极接地，第九电压源的电压值设置为(
‑
(1/(vg
‑
10))
‑
0.1)*(vg
‑
vs)，实现电压值随pmos管的栅极和漏极之间的电压应力
的变化而变化的功能；
25.第十电压源的正极接第五乘法器的第二输入端，负极接地，第十电压源的电压值设置为0.08
‑
0.2/(t+2.5))，实现电压值随退化时间的增加而增加的功能；
26.第六乘法器的第一输入端接第五乘法器的输出端，第二输入端接第十一电压源的正极，输出端接第二压控电流源的控制端正极，第六乘法器用于实现将第五乘法器的输出电压值与第十一电压源的电压值相乘的功能；
27.第十一电压源的正极接第六乘法器的第二输入端，负极接第十二电压源的正极，第十一电压源的电压值设置为w*100000，实现电压值随pmos管的宽度的增加而增加的功能；
28.第十二电压源的正极接第十一电压源的负极，负极接第十三电压源的正极，第十二电压源的电压值设置为0.6/(l+0.65/1000000)/10000000，实现电压值随pmos管的长度的增加而减小的功能；
29.第十三电压源的正极接第十二电压源的负极，负极接地，第十三电压源的电压值设置为0.0001*(temp+270)，实现电压值随温度的增加而增加的功能；
30.其中，参数vg表示pmos管的栅极应力电压，单位为伏特；参数vd表示pmos管的漏极应力电压，单位为伏特；参数vs表示pmos管的源极应力电压，单位为伏特；影响因素t表示退化时间，单位为秒；影响因素temp表示温度，单位为摄氏度；影响因素w表示pmos管的宽度，单位为米；影响因素l表示pmos管的长度，单位为米。
31.与现有技术相比，本发明提供的短沟道pmos管负偏置温度不稳定性的等效电路，是根据pmos管的负偏压温度不稳定性效应的可靠性物理研究和实验测试结果提出的，建立了pmos器件的负偏置温度不稳定性效应的等效电路模型，该cmos电路结构针对短沟道pmos管，能够使用标准spice模型，在pmos管周围利用压控电压源和压控电流源搭建简单的pmos管退化电路，即模拟pmos管在不同时刻、不同温度、不同栅压以及不同器件尺寸下对应的pmos管器件的衰减，进而得出该器件的整体性能的退化，即通过该等效电路模型能够得出pmos管的退化趋势，达到温度、时间、栅压、宽长比等各个因素共同影响器件退化的效果。
附图说明
32.图1是本发明提供的短沟道pmos管负偏置温度不稳定性的等效电路结构示意图。
33.图2是现有技术提供的负偏置温度不稳定效应退化前后的输出特性曲线示意图。
34.图3是现有技术提供的负偏置温度不稳定效应退化前后的转移特性曲线示意图。
35.图中，10、加法器；11、第一乘法器；12、第二乘法器；13、第三乘法器；14、第四乘法器；15、第五乘法器；16、第六乘法器；21、第一电压源；22、第二电压源；23、第三电压源；24、第四电压源；25、第五电压源；26、第六电压源；27、第七电压源；28、第八电压源；29、第九电压源；30、第十电压源；31、第十一电压源；32、第十二电压源；33、第十三电压源。
具体实施方式
36.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
37.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相
连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
38.请参考图1所示，本发明提供一种短沟道pmos管负偏置温度不稳定性的等效电路，包括一个pmos管、一个压控电压源vcvs、第一压控电流源vccs1和第二压控电流源vccs2、一个加法器10、第一至第六乘法器11～16共六个乘法器、第一至第十三电压源21～33共十三个电压源及一个接地端gnd；具体地，
39.压控电压源vcvs的正极接pmos管的栅极，负极悬空，控制端的负极接地，控制端的正极接第四乘法器14的输出端，压控电压源vcvs的控制系数为0.29；
40.第一压控电流源vccs1的正极接pmos管的源极，负极接pmos管的漏极，控制端的负极接地，控制端的正极接第二乘法器12的输出端，第一压控电流源vccs1的控制系数设置为1*10
‑
10
；
41.第二压控电流源vccs2的正极接pmos管的栅极，负极接pmos管的源极，控制端的负极接地，控制端的正极接第六乘法器16的输出端，第二压控电流源vccs2的控制系数设置为1*10
‑
10
；
42.加法器10的第一输入端接pmos管的漏极，第二输入端接pmos管的栅极，输出端接第一乘法器11的第一输入端，加法器10的第一输入端的输入系数为0.0006，第二输入端的输入系数为
‑
0.002*(2
‑
0.1/(vd+1))，加法器10用于实现漏极应力电压乘以第一输入端的输入系数、栅极应力电压乘以第二输入端的输入系数后两者相加的功能；
43.第一乘法器11的第一输入端接加法器10的输出端，第二输入端接第一电压源21的正极，输出端接第二乘法器12的第一输入端，第一乘法器11用于实现将加法器10的输出电压值与第一电压源21的电压值相乘的功能；
44.第一电压源21的正极接第一乘法器11的第二输入端，负极接地，第一电压源21的电压值设置为0.4
‑
1/(t/3000+0.5)，实现电压值随退化时间的增加而增加的功能；
45.第二乘法器12的第一输入端接第一乘法器11的输出端，第二输入端接第二电压源22的正极，输出端接第一压控电流源vccs1的控制端正极，第二乘法器12用于实现将第一乘法器11的输出电压值与第二电压源22的电压值相乘的功能；
46.第二电压源22的正极接第二乘法器12的第二输入端，负极接第三电压源23的正极，第二电压源22的电压值设置为0.001*(temp+270)，实现电压值随温度的增加而增加的功能；
47.第三电压源23的正极接第二电压源22的负极，负极接地，第三电压源23的电压值设置为0.5/(l+0.6/1000000)/10000000，实现电压值随pmos管的长度增加而减小的功能或者随pmos管的宽度增加而增加的功能；
48.第三乘法器13的第一输入端接第四电压源24的正极，第二输入端接第五电压源25的正极，输出端接第四乘法器14的第一输入端，第三乘法器13用于实现将第四电压源24的电压值与第五电压源25的电压值相乘的功能；
49.第四电压源24的正极接第三乘法器13的第一输入端，负极接地，第四电压源24的电压值设置为(
‑
(1+0.1*vd)/(vg
‑
10))
‑
0.12)，实现电压值随pmos管的栅极和源极之间的
电压应力的变化而变化功能；
50.第五电压源25的正极接第三乘法器13的第二输入端，负极接地，第五电压源25的电压值设置为0.8
‑
2/(t+2.5))，实现电压值随退化时间的增加而增加的功能；
51.第四乘法器14的第一输入端接第三乘法器13的输出端，第二输入端接第六电压源26的正极，输出端接压控电压源vcvs的控制端正极，第四乘法器14用于实现将第三乘法器13的输出电压值与第六电压源26的电压值相乘的功能；
52.第六电压源26的正极接第四乘法器14的第二输入端，负极接第七电压源27的正极，第六电压源26的电压值设置为w*1000，实现电压值随pmos管的宽度的增加而增加的功能；
53.第七电压源27的正极接第六电压源26的负极，负极接第八电压源28的正极，第七电压源27的电压值设置为0.5/(l+0.65/1000000)/10000000，实现电压值随pmos管的长度的增加而减小的功能；
54.第八电压源28的正极接第七电压源27的负极，负极接地，第八电压源28的电压值设置为0.0001*(temp+270)，实现电压值随温度的增加而增加的功能；
55.第五乘法器15的第一输入端接第九电压源29的正极，第二输入端接第十电压源30的正极，输出端接第六乘法器16的第一输入端，第五乘法器15用于实现将第九电压源29的电压值与第十电压源30的电压值相乘的功能；
56.第九电压源9的正极接第五乘法器15的第一输入端，负极接地，第九电压源29的电压值设置为(
‑
(1/(vg
‑
10))
‑
0.1)*(vg
‑
vs)，实现电压值随pmos管的栅极和漏极之间的电压应力的变化而变化的功能；
57.第十电压源30的正极接第五乘法器15的第二输入端，负极接地，第十电压源30的电压值设置为0.08
‑
0.2/(t+2.5))，实现电压值随退化时间的增加而增加的功能；
58.第六乘法器16的第一输入端接第五乘法器15的输出端，第二输入端接第十一电压源31的正极，输出端接第二压控电流源vccs2的控制端正极，第六乘法器16用于实现将第五乘法器15的输出电压值与第十一电压源31的电压值相乘的功能；
59.第十一电压源31的正极接第六乘法器16的第二输入端，负极接第十二电压源32的正极，第十一电压源31的电压值设置为w*100000，实现电压值随pmos管的宽度的增加而增加的功能；
60.第十二电压源32的正极接第十一电压源31的负极，负极接第十三电压源33的正极，第十二电压源32的电压值设置为0.6/(l+0.65/1000000)/10000000，实现电压值随pmos管的长度的增加而减小的功能；
61.第十三电压源33的正极接第十二电压源32的负极，负极接地，第十三电压源33的电压值设置为0.0001*(temp+270)，实现电压值随温度的增加而增加的功能；
62.其中，参数vg表示pmos管的栅极应力电压，单位为伏特；参数vd表示pmos管的漏极应力电压，单位为伏特；参数vs表示pmos管的源极应力电压，单位为伏特；影响因素t表示退化时间，单位为秒；影响因素temp表示温度，单位为摄氏度；影响因素w表示pmos管的宽度，单位为米；影响因素l表示pmos管的长度，单位为米。
63.与现有技术相比，本发明提供的短沟道pmos管负偏置温度不稳定性的等效电路，是根据pmos管的负偏压温度不稳定性效应的可靠性物理研究和实验测试结果提出的，建立
了pmos器件的负偏置温度不稳定性效应的等效电路模型，该cmos电路结构针对短沟道pmos管，能够使用标准spice模型，在pmos管周围利用压控电压源和压控电流源搭建简单的pmos管退化电路，即模拟pmos管在不同时刻、不同温度、不同栅压以及不同器件尺寸下对应的pmos管器件的衰减，进而得出该器件的整体性能的退化，即通过该等效电路模型能够得出pmos管的退化趋势，达到温度、时间、栅压、宽长比等各个因素共同影响器件退化的效果。
64.作为具体实施例，所述pmos管既可以工作在饱和区，也可以工作在线性区，即满足栅源电压大于阈值电压。所述pmos管的栅极电压和漏极电压为一个变量，在进行仿真时，可以根据需要进行调整，以达到仿真的要求。所述pmos管是短沟道mos管，所述pmos管的宽长比假设设置为w/l，但在仿真中可根据自己的要求进行设置。
65.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。