cmos实验 - 图文

实验一 HSPICE实践

一、实验目的

1、熟悉电路仿真工具Hspice的基本语法及其使用方法。

2、会使用Hspice编写程序对简单RCL电路及双极型电路进行仿真。

3、结合MOS器件的工作原理，会使用Hspice编写程序查看MOS器件的各种特性曲线。

二、实验原理

在电学上MOS管作为一种电压控制的开关器件。当栅-源电压Vgs等于开启电压VT时，该器件开始导通。当栅—源间加一电压Vds以及Vgs=VT时，由于源-漏电压和栅-衬底电压而分别产生的电场水平起着使电子沟道向漏极运动的作用。随着源-漏电压的增加，沿沟道电阻的压降会改变沟道的形状。MOS管的这个行为特性如图1所示。在沟道源端，栅极电压在使沟道反型过程中全部有效；然而在沟道漏端，只有栅极和漏极间的电压差才是有效的。当有效栅电压（Vgs-VT）比漏极电压大时，随着Vgs的增加，沟道变得更深，这时沟道电流Ids既是栅极电压也是漏极电压的函数，习惯上称这个区域为“线性”区或“电阻”区，或“非饱和”区。如果Vgs大于Vds-VT；即，当Vgd

在源-漏电压和栅极电压固定的情况下，影响源极流向漏极（对于给定的衬底电阻率）的漏极电流Ids大小的因素有：

（1）源、漏之间的距离； （2）沟道宽度； （3）开启电压vt； （4）栅绝缘氧化层的厚度； （5）栅绝缘层的介电常数；

（6）载流子（电子或空穴）的迁移率μ。

一个MOS管的正常电压特性可分为以下几个区域： （1）“夹断”区：这时的电流是源-漏间的泄漏电流； （2）“线性”区：弱反型区，这时漏极电流随栅压线性增加； （3）“饱和”区：沟道强反型，漏极电流与漏极电压无关。

当漏极电压太高时，会发生称为雪崩击穿或穿通的非正常导电情况。在这两种情况中，栅极电压已不能对漏极电流进行控制。描述NMOS器件在这三个区域中性能的理想表达式为：

??0Vgs?VT?0(a)截止区?V2ds???Ids??KN??Vgs?VT?Vds?0?Vds?Vgs?VT(b)线性区?2????KN0?Vgs?VT?Vds(c)饱和区?(Vgs?VT)2?2

其中Ids是漏极电流；Vgs是栅-源电压；VT是器件的开启电压；KN是NMOS晶体管的跨导系数，KN与工艺参数及器件的几何尺寸有关，其关系为：

KN??n??W?toxW???K()

L?L?这里，μn表示沟道中电子的有效表面迁移率；ε是栅绝缘层的介电常数，tox是栅绝缘层的厚度；W是沟道宽度；L是沟道长度，因此，跨导系数包括了一个与工艺有关的本征导电因子项（KN=μnε/tox),一个几何尺寸有关项（W/L)，工艺有关项考虑了所有的工艺因素，如掺杂浓度，栅氧化层的厚度等；而几何尺寸的有关项则与器件的实际版图有关。

三、实验内容

1、在固定Vgs下，使用Hspice仿真并验证NMOS的I/V特性曲线。仿真时，使用CMOS0.6uDPDMmixsignal模型，该文件名为h06mixddct02v23.lib。

电路网表为：

* nmos_I-V_test

mn0 vout vin 0 0 NM w=2u l=1u .lib ' C:\\synopsys\\h06mixddct02v23.lib' tt v1 vin 0 2 v2 vout 0 1 .dc v2 0 5 0.1

.probe i1(mn0) .end

2、在上题中改变NMOS的W/L为4u/0.6u,重新仿真电路，比较漏极电流Id的变化。

3、在不同Vgs下仿真NMOS的I/V特性曲线，Vgs从0V变化到5V,每隔0.5V取一个点，查看并验证该I/V特性曲线。

*nmos_I-V_test

mn0 vout vin 0 0 NM w=4u l=0.6u .lib'C:\\synopsys\\h06mixddct02v23.lib'tt v1 vin 0 2 0 v2 vout 0 1 5

.dc v2 0 5 0.1 v1 0 5 0.5 .plot dc v(vout) id(mn0) .probe .end

4、在温度为0℃-80℃的范围内线性取下5个点，仿真NMOS的I/V特性曲线，并比较它们的差异以及Id随温度的变化趋势以及变化量。

*nmos_I-V_test

mn0 vout vin 0 0 NM w=2u l=1u

.Model NM NMOS vt0=0.7 kp=110u gamma=0.4 lambda=0.04 phi=0.7 v1 vin 0 2 v2 vout 0 1

.dc v2 0 5 0.1 temp 0 80 20 .probe i1(mn0) .end

5、在固定Vds下仿真NMOS管的转移特性曲线。 *nmos_I-V_test

mn0 vout vin 0 0 NM w=2u l=1u .lib'C:\\synopsys\\h06mixddct02v23.lib'tt v1 vin 0 2 v2 vout 0 1 .dc v1 0 5 0.1 .probe i1(mn0) .end

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