用先進(jìn)的SPICE模型模擬MOSFET電流-電壓特性

在本文中，我們使用90nm CMOS的SPICE模型來(lái)繪制NMOS晶體管的關(guān)鍵電學(xué)關(guān)系。

在前一篇文章中，我解釋了如何獲得集成電路MOSFET的高級(jí)SPICE模型，并將其納入LTspice仿真中。然后，我們使用這個(gè)模型來(lái)研究NMOS晶體管的閾值電壓。在本文中，我們將使用相同的模型來(lái)生成直觀地傳達(dá)晶體管電氣行為的圖。

繪制漏極電流與漏極電壓

我們將從生成漏極電流（ID）與漏極-源極電壓（VDS）的基本圖開(kāi)始。為此，我們將柵極電壓設(shè)置為遠(yuǎn)高于閾值電壓的固定值，然后執(zhí)行直流掃描模擬，其中VDD的值逐漸增加。圖1顯示了我們將要使用的示意圖。

用于產(chǎn)生漏極電流對(duì)漏極電壓曲線的LTspice NMOS示意圖。

圖1?；綨MOS晶體管的LTspice示意圖。我們將使用它來(lái)生成漏極電流與漏極電壓的曲線。

1V的柵極-源極電壓（VGS）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于320 mV，這是我們?cè)谇耙黄恼轮型ㄟ^(guò)模擬發(fā)現(xiàn)的閾值電壓。同時(shí)，圖1右下角的.dc模擬命令告訴LTspice做兩件事：

以0.01 V的增量將V2電源（VDD）從0 V增加到1.5 V。

使用此系列VDD值作為自變量。

我們的模擬結(jié)果如圖2所示。

圖1中NMOS晶體管的漏極電流與漏極電壓。

圖2:我們的漏極電流與漏極-源極電壓的初始曲線圖。

柵極電壓足夠高以使能導(dǎo)通，因此一旦VDS增加到零以上，電流就開(kāi)始流動(dòng)。對(duì)于較低的漏極電壓，漏極電流響應(yīng)于VDS的線性增加而線性增加。然而，漏極電流在大約0.4V處開(kāi)始變平，并且此后增加得更慢。從曲線圖的較高斜率部分到較低斜率部分的這種轉(zhuǎn)變對(duì)應(yīng)于從FET的線性區(qū)域到其飽和區(qū)域的轉(zhuǎn)變。

當(dāng)漏極電壓較低時(shí)，柵極電壓打開(kāi)從漏極延伸到源極的溝道，電流更自由地流過(guò)FET的溝道。隨著漏極電壓接近過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓，漏極處的溝道被夾斷，電流不再像以前那樣自由流動(dòng)。過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓等于柵極電壓減去閾值電壓。

測(cè)量線性區(qū)域的電阻

線性區(qū)域中的NMOS表現(xiàn)得像電壓控制的電阻器。這就是這個(gè)區(qū)域的名字——當(dāng)電流流過(guò)普通電阻時(shí)，電壓和電流之間的關(guān)系是線性的。如果我們觀察歐姆定律，這一點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的：

如果我們用我們?cè)S多人在高中代數(shù)中使用的字母代替V、I和R，歐姆定律就變成了：

解釋

y、 縱軸，是電壓

x、 橫軸，是電流

m、 繪制線的斜率是阻力。

為了確定線性區(qū)域中NMOS晶體管的電阻，我們只需要找到m。由于我們?cè)趫D2中繪制了漏極電流和漏極電壓之間的關(guān)系，我們已經(jīng)完成了一半。然而，我們?cè)趛軸上繪制電流，在x軸上繪制電壓——要使V=IR工作，電壓必須是y值，電流必須是x。m不是圖2中直線的斜率，而是斜率的倒數(shù)。

這只增加了一個(gè)額外的步驟。我們使用LTspice來(lái)找到斜率（圖3），然后取倒數(shù)。

光標(biāo)框顯示漏極電流與漏極電壓曲線的斜率。

圖3。在FET的線性區(qū)域中找到漏極電流與漏極電壓曲線的斜率。

該線的斜率為0.00084。因此，總電阻為1/0.00084=1190Ω。該總電阻包括一個(gè)100Ω的漏極電阻器，使NMOS的溝道電阻等于1090Ω。

更高的柵極-源極電壓使溝道更導(dǎo)電，因此如果我們?cè)黾訓(xùn)艠O電壓，我們可以預(yù)期該電阻會(huì)降低。圖4顯示了如果我將柵極電壓增加到2V會(huì)發(fā)生什么。

一旦柵極電壓增加，漏極電流對(duì)漏極電壓曲線的斜率。

圖4。一旦柵極電壓增加到2V，漏極電流對(duì)漏極電壓曲線的斜率。

當(dāng)VGS=2 V時(shí)，斜率等于0.00099。取該值的倒數(shù)得出1010Ω。一旦我們減去100Ω的漏極電阻，F(xiàn)ET在線性區(qū)域的溝道電阻為910Ω。這比我們之前的電阻值減少了180Ω，所以我們可以認(rèn)為我們的預(yù)期得到了證實(shí)。

生成一組特征曲線

FET行為的討論通常伴隨著漏極電流對(duì)漏極電壓的圖，該圖包括多條曲線來(lái)表示不同柵極到源極電壓的結(jié)果。這允許單個(gè)繪圖來(lái)傳達(dá)關(guān)于柵極到源極電壓、漏極到源極的電壓和漏極電流之間的電關(guān)系的大量信息。

要在LTspice中生成這種類型的圖，我們只需要修改模擬命令，使其指定V2和V1（即柵極電壓）的掃描。新的模擬命令是：

V2掃描與以前相同，但我們添加了文本，告訴LTspice以0.5 V的增量將V1源從0 V增加到3 V。結(jié)果是圖5中的多色圖。

七個(gè)不同柵極電壓值的漏極電流與漏極電壓。

圖5。柵極電壓的七個(gè)不同值的漏極電流與漏極電壓。

要使繪圖顯示如圖5所示的圖例，只需執(zhí)行以下步驟：

在繪圖窗口上單擊鼠標(biāo)右鍵。

轉(zhuǎn)到“查看”。

選擇步驟圖例。

總結(jié)

SPICE模擬是了解更多MOSFET和研究細(xì)微電氣細(xì)節(jié)或復(fù)雜電路實(shí)現(xiàn)的好方法。預(yù)測(cè)技術(shù)模型網(wǎng)站上免費(fèi)提供的高級(jí)模型使我們即使在使用現(xiàn)代集成電路中使用的MOSFET技術(shù)時(shí)也能保持模擬的準(zhǔn)確性。