ОПрЭКБ лабы / Актуальные методы / 122_Пр_ПР_БЧ_ОП_ЭКБ_ПРАКТИКА_03_ИСПРАВЛЕННОЕ_02_10_2022 (1)

Основы проектирования ЭКБ

ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭКБ

3. Моделирование ВАХ МОП-транзистора.

МОП-транзистор является основным элементом современных интегральных схем. Для SPICE разработаны несколько моделей МОП-транзисторов различного уровня сложности. Эти модели выбираются по параметру LEVEL (уровень). Простейшей является модель Шихмана-Ходжеса, основанная на использовании квадратичных уравнений (LEVEL =1). Ее целесообразно использовать в тех случаях, когда к точности моделирования не предъявляются высокие требования. Модель Шихмана-Ходжеса дает удовлетворительные результаты при анализе цепей с МОП-транзисторами, имеющими длину канала L >1 мкм.

Модель первого уровня используется по умолчанию, когда параметр модели (LEVEL) не указан. Отметим основные особенности этой модели:

- наименьшее время вычисления благодаря простоте уравнений;

- не учитывается зависимость подвижности носителей от напряженности электрического поля;

- не рассматривается предпороговый режим;

- все емкости рассчитываются по упрощенным формулам.

Модель второго уровня (LEVEL = 2) основана на более точных аналитических выражениях. Модель третьего уровня (LEVEL = 3) является полуэмпирической и использует сочетание эмпирических и аналитических выражений. Для их определения используются результаты измерения характеристик реальных приборов.

Модели второго и третьего уровня учитывают эффекты второго порядка, такие как модуляция длины канала. Модель третьего уровня целесообразно использовать при анализе цепей с мощными МОП-транзисторами вертикальной структуры.

Программу SPICE можно использовать в качестве характериографа для отображения ВАХ транзисторов. Для этого используются два независимых источника: Vgs – напряжение на затворе и Vds – напряжение стока. Источник VA выполняет роль виртуального амперметра.

Оценим адекватность двух SPICE-моделей МОП-транзистора Level 1 и Level 3.

Ниже приведены листинги программ моделирования ВАХ с параметрами моделей. Для расчёта ВАХ используется режим DC Transfer Curve Analysis (Анализ передаточной кривой в режиме постоянного тока).

Рисунок 1 – Пример описания модели первого уровня

Формат задания параметров МОП-транзистора: MXXXXXXX ND NG NS NB NAME <L=VALUE> <W=VALUE> + <AD=VALUE> <AS=VALUE> <PD=VALUE> <PS=VALUE> + <NRD=VALUE> <NRS=VALUE> <IC=VDS, VGS, VBS>

Здесь: AD, AS – площади областей стока и истока в кв. м PD, PS – периметры областей стока и истока в м NRD, NRS – слоевые сопротивления стока и истока (Ом/квадрат) IC=VDS, VGS, VBS начальные значения напряжений (факультативно).

Диапазон изменения Vds – от 0 до 3 В с шагом 50 мВ (рисунок 2, а).

Диапазон изменения Vgs – от 1 до 3 В с шагом 1 В (рисунок 2, б).

а)

б)

Рисунок 2 а, б

На рис. 3 показан набор ВАХ МОП-транзистора для Level1.

Рисунок 3 – ВАХ МОП-транзистора для Level 1

На рисунке 4 показан пример описания модели Level 3 МОП-транзистора.

Примечание. На рисунке 4 приведен код с ошибкой, необходимо ее найти и исправить, затем провести анализ передаточной кривой в режиме постоянного тока, как было сделано для модели Level 1.

Рисунок 4 – Пример описания модели третьего уровня

На рисунке 5 показан набор ВАХ МОП-транзистора для Level3.

Рисунок 5 – ВАХ МОП-транзистора для Level 3