6. Моделирование вах моп-транзистора

Листинг кода (для получения ВАХ SPICE-моделей МОП-транзистора Level 1 и Level 3):

zadanie_mop

vds 1 0 dc 0

vA 1 100 dc 0

vgs 2 0 dc 3

m1 100 2 0 0 mn1 l=0.6u w=50u

.model mn1 nmos vto=0.5 tox=100e-10 uo=610 ld=0.07u

+rs=20 rd=20

.model mn3 nmos level=3 vmax=1e5 vto=0.5 tox=100e-10

+uo=610 ld=0.07u rs=20 rd=20 theta=0.03 delta=0

+eta=0.01 nfs=1.3e12

Рисунок 22 – ВАХ исследуемого МОП-транзистора model 3

Рисунок 23 – ВАХ исследуемого МОП-транзистора model 1

Рисунок 24 – ВАХ исследуемого МОП-транзистора в AIM Postprocessor

Говоря о различиях на изображенных выше зависимостях, явно в глаза бросается тот аспект, что плохо наблюдается насыщение тока при изменении напряжения на затворе. Как гласит мануал по AIM Spice и как верно он был мною интерпретирован и понят, model 1 и model 3 являют собой приближения соответствующих порядков. Соответственно, первая модель – model 1 – модель Шичмана-Ходжеса (The Shichman-Hodges model), основанная на приведенных здесь выражениях для длинных каналов. Также эти «model 1» и «model 3» описывают малосигнальные параметры транзистора (для описания моделей больших сигналов используют «model» с б льшим порядковым номером). У моделей больших сигналов есть некоторые ограничения, а именно: 1) модели больших сигналов часто должны быть значительно упрощены для интуитивной обработки; 2) модели больших сигналов часто нелинейны, поэтому трудно анализировать схемы с более чем несколькими элементами напрямую; 3) такие элементы, как переменный накопленный заряд, трудно моделировать, часто используется фиксированная емкость, которая имеет компромиссное значение. Для малосигнальной модели характерно то, что мы можем создать модель с небольшим сигналом, которая включает только линейные элементы. Это позволит использовать теорию линейных цепей, с помощью которой мы можем обрабатывать очень большое количество взаимодействующих компонентов.

Что касается model 3, то в ней используется понятие короткоканального эффекта, а также эта модель, как гласит мануал, применима во всех областях работы устройства. Эта модель использует только 10 параметров. Моделируемые характеристики тока в зависимости от напряжения и их производные непрерывны от слабой до сильной инверсии и от линейных режимов насыщения. Именно эта модель указывает на технологическую применимость MOSFET транзисторов.

В длинноканальных транзисторах величина порогового напряжения (напряжение на затворе, при котором наступает режим сильной инверсии (режим, при котором концентрация электронов в канале сравнивается с концентрацией дырок в подложке)) не зависит от длины канала. С уменьшением длины канала изменяется конфигурация двумерного электрического поля объемного заряда в подложке за счет сближения областей пространственного заряда истока и стока, при этом увеличивается средняя напряженность поля под затвором. Это приводит к увеличению модуля поверхностного потенциала и, следовательно, снижению порогового напряжения при уменьшении длины канала.

Появление области насыщения объясняется следующим образом. При протекании тока через канал на сопротивлении канала падает напряжение, поэтому напряжение между затвором и каналом уменьшается по направлению от истока к стоку и по этой причине уменьшается толщина канала (рис. 1). Если напряжение на стоке становится больше напряжения на затворе, то на границе со стоком канал исчезает, его удельное сопротивление стремится к бесконечности. При этом ток стока перестает зависеть от напряжения на стоке, наступает режим насыщения. Небольшой наклон стоковых характеристик в режиме насыщения объясняется только изменением ширины области пространственного заряда стокового р-n-перехода, вследствие которого с ростом V_ds длина канала уменьшается (эффект модуляции длины канала). При этом уменьшается сопротивление канала, и, следовательно, увеличивается ток стока.

При модели транзистора level 3 учитывается предпороговый режим, вследствие чего мы наблюдаем насыщение гораздо раньше, чем при модели level 1, т.к. параметры рассчитываются более тщательно. Предпороговая область – это об­ласть перехода от сильной к слабой инверсии, на зависимости ВАХ выражается перегибом, что соответствует изменению соотношения между дрейфовой и диффузионными составляющими тока канала. Таким образом, в области отсечки ток в канале вблизи истока в основном дрейфовый, при приближении к сто­ку в области отсечки резко возрастет диффузионная составляющая, которая при нулевом захвате равна у стока полному току канала.