模拟CMOS集成电路 - 拉扎维 - 实验一

实验一NMOS管的I-V特性曲线仿真

一、实验目的和任务

1、掌握HSPICE线路模拟软件的使用方法。 2、掌握HSPICE语言，可以熟练使用。 3、验证NMOS管的I-V特性曲线。

二、实验相关知识

1、HSPICE软件的简单介绍

HSIPCE线路模拟软件在早期是美国Meta-Software公司根据Berkeley SPICE2G.6、SPICE3及其他线路模拟软件所发展的工业级线路分析软件。HSPICE在基本功能部分和其他SPICE软件相似，可应用于下列领域的电子电路研发，即稳态（直流分析）、暂态（时间分析）及频率（交流分析）等领域。

2、NMOS管I-V特性的推导

先定性了解NMOS管的I-V特性，如果栅源偏置电压电压

大于NMOS管的阈值

,则在P型衬底的表面由于静电感应会产生大量的电子，形成导电沟道。

时，器件内部的沟道中就会产生电流

，

当漏区相对于源区电压加正电压即

。

1)非饱和区的I-V特性。 此时，漏电流为： 式中

由

为沿电流方向的电荷密度，v表示电荷的移动速度。

的表达式可知

的表达式：

其中，负号是因为载流子电荷为负而引入的，v表示沟道电子的漂移速度。对于半导体，电子迁移率用

为了求得

1

，其中是载流子的迁移率，为电场。注意到表示，得到：

，

，将式(1.3)两端乘以积分可得：

实验一NMOS管的I-V特性曲线仿真

2)饱和区的I-V特性

由于反型层局部的电荷密度正比于

时，则

下降为0，即

略大于

，故当

接近

时，则反型层将在

处终止，沟道夹断。 故对式(1.3)积分的左边必须从点，右边从

此式表明，如果

近似等于，则

与

无关。

到

到，有：

,其中

是

下降为0的

上述并未考虑二级效应。

三、实验原理、步骤及仿真结果

根据实验原理图，在记事本中编辑电路的网表文件，保存为*.sp的文件，在Star-Hspice中进行仿真，得出I-V特性曲线。

实验原理图：

图1.1 测量NMOS管I-V特性原理图

2

实验一NMOS管的I-V特性曲线仿真

图1.2 NMOS管的I-V特性曲线仿真电路图

图1.3 NMOS管的I-V特性曲线仿真曲线

3

实验一NMOS管的I-V特性曲线仿真

四、思考题

1、什么是工艺角？

答：与双极晶体管不同，在不同的晶片之间以及在不同的批次之间，MOSFETs参数变化很大。为了在一定程度上减轻电路设计任务的困难，工艺工程师们要保证器件的性能在某个范围内，大体上，他们以报废超出这个性能范围的芯片的措施来严格控制语气的参数变化，这个范围就是工艺角。

2、若考虑二级效应，NMOS管I-V特性有何变化？

答：根据漏极电流的公式，当不考虑体效应时，Vin变化，由于漏电流恒等于一定值I1，因此Vout会紧随输入变化；当考虑二级效应，当Vin增加时，Vout会变得更正，源和衬底之间的电压差将增大，导致Vth增大，为了保持Id恒定，Vin-Vout必须增加。

实验一 附录

实验所需网表： *NMOS Analysis

M1 2 1 0 0 n50 W=5u L=1u VDS 2 0 5V VGS 1 0 1V

.LIB 'D:\\asic\\smic035\\MS035_v0p2.lib' TT .OP

.DC VDS 0 5 0.2 VGS 1 5 1 .PROBE DC I(M1) .END

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