[发明专利]一种CMOS反相器MOS阈值电压的测量方法

说明书

本发明提出了一种CMOS反相器MOS阈值电压的测量方法，用于解决现有技术无法同时测量已封装CMOS反相器内部NMOS阈值电压和PMOS阈值电压的技术问题，实现步骤为：直流电压源为CMOS反相器施加直流电压，同时信号发生器为CMOS反相器施加脉冲信号；双通道示波器同时采集CMOS反相器的输入电压和输出电压；绘制CMOS反相器一个周期的静态电压传输曲线；计算静态电压传输曲线转换点的增益；绘制转换点增益直线；计算转换点增益直线与静态电压传输曲线重合区间的端点；获取NMOS的阈值电压V_thn和PMOS的阈值电压V_thp。本发明测量效率高，通用性强，可用于数字电路设计和仿真中阈值电压的提取和分析。

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，涉及一种CMOS反相器MOS阈值电压的测量方法，可用于数字电路设计和仿真中阈值电压的提取和分析。

背景技术

反相器是将输入信号的相位反转180度的电路。常见反相器有两种，分别是TTL非门和CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)反相器。TTL非门的输入结构和输出结构均由半导体三极管和电阻构成。CMOS反相器由两个增强型MOS(Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体)组成，分别为NMOS(N-Metal-Oxide-Semiconductor，N型金属氧化物半导体)和PMOS(P-Metal-Oxide-Semiconductor，P型金属氧化物半导体)。CMOS反相器较TTL反相器功耗小、抗干扰性强、工作电压范围更广，因此广泛的用于数字电路系统设计中。

MOS的阈值电压是使源端半导体表面达到强反型的栅压，是区分MOS器件导通电压和截止电压的分界点。目前，阈值电压的测量方法主要有两大类：一类是基于MOS电流和电压关系式的测量方法，如恒定电流法、线性外推法、二阶导数法等。另一类是基于MOS器件的电学特性，设计特定的测量电路完成阈值电压的测量。

CMOS反相器内部，由于NMOS和PMOS的栅极和漏极对接，除非破坏CMOS反相器的外部封装，否则仅通CMOS反相器的输入端和输出端无法测量NMOS和PMOS各自的电压和电流，因此基于电流和电压关系式的测量方法对CMOS反相器MOS阈值电压的测量不适用。而基于MOS器件电学特性的特定测量电路，通常是针对单个MOS器件设计的测量电路。

目前，基于MOS器件电学特性的测量方法主要有以下几种：

1、通过待测器件的应力态和测量态来计算待测器件的阈值电压。测量单个待测MOS在应力态和测量态下与参照晶体管的输出电压差，计算得到单个待测MOS的阈值电压。例如，专利授权号为CN 103576065B，名称为“一种晶体管阈值电压的测试电路”的中国专利，公开了一种阈值电压测试方法，该方法通过在公开的测试电路中加入开关电路，测量开关电路控制待测器件在电路处于断路时的应力状态和测试电路通路时的测量状态，计算得到待测器件的阈值电压。该方法的可操作性高，易于工程实现，但是如果要测量CMOS反相器内部NMOS的阈值电压和PMOS的阈值电压，需分别单独测量NMOS的阈值电压和PMOS的阈值电压，测量效率低，并且依赖的电路设计复杂，测量时间较长。

2、通过设计一种可以从外部改变电路工作条件的电路来测量MOS的阈值电压。测量单个待测MOS对电容的充电时间，计算得到单个待测MOS的漏电流，进而计算得到单个待测MOS的阈值电压。例如，专利授权号为CN103323763B，名称为“一种测量阈值电压和饱和漏电流退化电路”的中国专利，公开了一种阈值电压的测量方法，通过测量锯齿波的周期，带入电容的计算公式，得到MOS饱和漏电流的退化值，将该值带入MOS饱和区的电流电压公式，得到了MOS的阈值电压。该方法测量准确度较高，但是如果要测量CMOS反相器内部NMOS的阈值电压和PMOS的阈值电压，则需分别单独测量NMOS的阈值电压和PMOS的阈值电压，测量效率低。