Instrumentatie virtuala - pentru sisteme microelectronice - Tranzistorul MOS

UNIVERSITATEA "POLITEHNICA" - BUCURESTI

Facultatea de Electronica, Telecomunicatii si Ingineria Informatiei

Instrumentatie virtuala

pentru sisteme microelectronice

Tranzistorul MOS - modelare completa / simplificata utilizand Labview 6.1 (National Instruments)

Modelul Merckel - Borel - Cupcea

Acest model este cel mai utilizat pentru simularea de circuite integrate si, la fel ca modelul Ihantola-Moll, este un model pentru inversie puternica ce ofera relatii analitice ale caracteristicilor statice in regiunea cvasiliniara (V_S < V_D < V_DP ), dar si in regiunea de saturatie.

Avantajul acestui model este reducerea substantiala a erorilor create de aproximatia sarcinii de volum, in conditiile pastrarii formalismului patratic.

Acest model aproximeaza sarcina de volum prin panta tangentei la curba reala a dependentei sarcinii de cvasinivelul Fermi. Aceasta panta este parametrul δ:

In urma acestei aproximari, expresia curentului de drena scris cu ajutorul tensiunilor terminalelor in conditiile sursei scurtcircuitate la substrat:

,

unde

.

Tensiunea de intrare in saturatie are expresia:

,

iar curentul corespunzator este dat de:

.

Modele complete in inversie puternica

Este cunoscut faptul ca tranzistorul MOS se afla in inversie puternica daca este asigurat acest regim la capatul dinspre sursa al canalului (electrodul care este polarizat cu o tensiune mai mica). Conditia de inversie puternica se scrie matematic:

Un model complet in inversie puternica ia in considerare doua efecte importante:

cresterea curentului in regiunea de saturatie prin procesul de scurtare a canalului;

dependenta mobilitatii de campul electric transversal.

Ambele efecte sunt incluse in factorul β, ceea ce nu afecteaza functia primitiva ulilizata de modelele simplificate.

Experimental s-a constatat ca in regimul de saturatie curentul de drena are o crestere in raport cu tensiunea aplicata pe drena. Efectul este cu atat mai important cu cat lungimea canalului este mai mica.

De asemenea, mobilitatea electronilor la suprafata semiconductorului scade la cresterea campului electric transversal.

Astfel, modelele de baza vor utiliza parametrul:

in timp ce modelele complete vor introduce parametru cu definitia:

.

Intre cei doi parametri exista relatia:

.

Acest model complet pleaca chiar de la modelul de baza Merckel-Borel-Cupcea:

Regimul cvasiliniar

Unde:

;

Domeniul de valabilitate:

;

Regimul de saturatie

Unde:

;

Domeniul de valabilitate:

;

Modelul are sase parametri: .

Interfata grafica pentru compararea caracteristicilor de transfer obtinute cu modelul complet respectiv cu cel de baza, a fost organizata in limbaj de programare National Instruments - Labview, versiunea 6.1.

Cu ajutorul functiilor predefinite din meniul de configurare fisiere, s-a crea un fisier cu extensia ini, ce contine parametrii de model necesari in calcului curentului de drena.

Acesti parametri sunt apoi extrasi si utilizati in relatiile de modelare a curentului prin tranzistorul MOS.

Parametrii de model introdusi in fisier se refera la un proces CMOS n-well, cu poarta de siliciu, avand o latime minima a portii de 0.8 um.

Bibliografie

Adrian Rusu - "Conductie electrica neliniara in structuri semiconductoare", Editura Academiei Romane, Bucuresti - 2000

Paul R. Gray, Robert G. Mayer - "Circuite integrate analogice. Analiza si proiectare", Editura Tehnica, Bucuresti - 1997

https://www.ni.com/