MOS管沟道长度及衬底调制效应对其特性曲线影响的计算机模拟

1、M OS管沟道长度及衬底调制效应对其特性曲线影响的计算机模拟周瑞雪(贵州师范大学物理与电子科学系贵阳550001摘要:借助CA D电路仿真工具PSpice模拟研究了M OS管沟道长度调制效应及衬底调制效应对其特性曲线的影响.关键词:M OS管特性曲线;长度调制效应;衬底调制效应;计算机仿真Computer simulation on the effect ofthe length of MOS pipeline channel and underlayregulated impact on its characteristic curveZHOU Rui-xue(Department of P

2、hy sics and Electronic Science,Guizhou No rmal Univ er sity,Guiyang,550001Abstract:The ex periment studies the regulation effect of the leng th of M OS pipeline channel and underlay regulated impact on its characteristic curv e by m eans of the sim ulation of pspice imi-tator of CAD cir cuit.Key wor

3、ds:M OS pipeline characterisitic curve;the effect of the leng th;the effect o f under-lay r eg ulated impact;computer im itation1前言M OS场应效管存在沟道长度调制效应和衬底调制效应.影响沟道长度调制效应的主要参量是沟道长度调制系数 =1/V A;影响衬底调制效应的主要参量是背栅极(衬底B与源极S之间的电压V BS对漏极电流i D的控制作用.本文通过计算机模拟实验,研究N沟道增强型MOS管的沟道长度调制效应及衬底调制效应对M OS管转移特性和输出特性曲线的影响.实验

4、原理图如图1所示.设该M OS管的主要参量为: K p=40 A/V,=0.8,!=0.65, L=10 m,V T O=1V,W=50 m, =0.02.图1实验原理图2PSpice软件主要实验工具为PC机、CAD电路仿真PSpice软件(PSpice5.00版,Window s环境等.PSpice在输入输出图形处理、算法的可靠性和收敛性、仿真速度、模拟功能扩展以及模型多数库和宏模型库等方面都有所改善和扩充,在国内外的用户十分广泛.电路仿真程序是PSpice 的核心部分.它的仿真功能包括:直流工作点分析、直流转移特性分析、直流小信号传输函数计算、交流小信号分析、交流小信号噪声分析、瞬态分析、

5、傅里叶分析、直流灵敏度分析、温度分析、最坏情况分析和蒙特卡罗统计分析等.用PSpice 分析电路及元件,基本步骤是:1给定电路的结构(原理图和元件参量;2确定分析电路及元件特性所需的分析内容和分析类型;3定义电路的输入、输出信息和变量.按照PSpice 的工作步骤和输入、输出语句及格式,根据实验原理图和元件参量,确定出本实验的分析功能及控制命令,电路元件模型及其变量、参量,得出本实验的PSpice 输入网单文件为:.DC VGG 040.01VDD LIST 210*.DC VDD 0150.01VGG 141*.DC VGG 040.01VBS LIST 0-2*.ST EP VBS LIS

6、T 0-2.PROBE .END3实验内容和结果分析1求V BS =0时的转移特性曲线(取V DS =2V ,10V 和输出特性曲线,分析沟道长度调制效应对M OS 特性曲线的影响. a.取V DS =2V 和10V ,计算M OS 管转移特性曲线,如图2(a 所示,其中上面一条曲线是V DS =10V 的结果,下面一条曲线是V DS =2V 的结果.图2V GS =0时转移和输出特性曲线b.取V GS =1V,2V,3V 和4V ,计算输出特性曲线如图2(b所示,其中4条曲线(包括横轴从下到上分别是V GS =1V ,2V ,3V 和4V 的结果.c.分析:由图2(a 可以看出,随着V DS

7、 增加,转移特性左移,表明在同样的V GS 下漏极电流i D 加大,所以输出特性曲线上翘,即i D 随V DS 的增加略有上升,这种现象是由于M OS 管的沟道长度调制效应引起的.2求V DS =V DD =10V 时,V BS =0和-2V 的转移特性曲线和输出特性曲线,讨论V BS 大小对管子特性的影响和分析衬底调制效应对M OS 特性曲线的影响.a .设V DS =V DD =10V ,取V BS =0和-2V ,计算得到的转移特性曲线如图3(a所示;其中上面一条曲线是V BS =0的结果,下面一条曲线是V BS =-2V 的结果.b.取V GS =1V,2V,3V 和4V ,V BS

8、=0和-2V,计算管子的输出特性,特性曲线如图3图3V BS=0,-2V时的转移和输出特性曲线(b所示.图中用符号标示的是V BS=0V时的输出特性,用标示的是V BS=-2V时的输出特性.这两种情况下的4组曲线(包括横轴从下到上分别为V GS=1V,2V,3V和4V时的输出特性.c.分析:由图3(a可以看出,随着衬底与源极之间的反压加大,转移特性左移,表明管子的“阈值”电压V GS(th加大;同样的V GS所产生的漏极电流i D减小.在输出特性上表现为,V BS =-2V的各条曲线比V BS=0时相应的曲线有较明显的下移,所以在同样V GS和V DS下,漏极电流i D减小.这种衬底调制效应对

9、管子特性及电路性能造成不利影响,在实际应用时要注意这个问题.3求V BS=0, =0.02,0.04两种情况下的输出特性曲线,讨论 的大小对输出特性的影响.a.计算 =0.02和0.04时M OS管的输出特性曲线,如图4所示.图中以符号标示的是 =0.02时的输出特性,以标示的是 = 0. 04时的输出特性.这两种情况下的4组曲线.从下到上分别为V GS=1V,2V,3V和4V时的输出特性.图4V BS=0,不同 值的输出特性曲线很明显, =0.04时的输出特性曲线比 = 0.02时的输出特性曲线斜率大,表明前者V DS 对i D的影响比后者大,或者说前者的输出电阻r ds比后者的小.b.在V

10、 GS=3V和4V两条曲线上各取V DS=4V,14V两点,读出它们的漏极电流,可计算出管子的输出电阻,如表1所示.通过实验,可以强烈感受到,随着计算机的迅速发展,以电子计算机辅助设计CAD为基础、以SPICE模拟电路仿真程序为核心部分的电子设计自动化EDA技术已渗透到电子系统和专用集成电路设计的各个环节.CAD模拟电路仿真工具相当于一个现代化的电子线路实验室,可以对实验过程进行逼真的实时模拟.如何把原本主要应用在集成电路、ICN芯片等设计的模拟仿真技术应用到传统的大学物理实验中,是一个非常有价值的研究领域.表1不同 和工作点下的输出电阻41254注:i D1为V DS=4V时的电流,i D2为V DS