CMOS 工艺节点设计

出处：网络整理发布于：2024-06-06 16:20:19

　　在本文中，我们将使用 PTM 网站上的 CMOS 模型。您可以通过导航到我上面链接的站点存档并单击“模型”来找到它。在那里，您将看到适用于不同 CMOS 工艺节点的大量 SPICE 模型 - 从 180 nm 一直到 7 nm 多栅极技术。
　　我们希望 PTM 模型标记为“用于块状 CMOS 的 90nm BSIM4 模型卡”。图 1 显示了模型页面的相关部分，其中正确的模型用绿色圆圈标出。

　　用于块状 CMOS 的 90nm BSIM4 模型卡。

　　图 1. PTM 90 nm BSIM4 块状 CMOS 模型卡。图片由亚利桑那州立大学提供
　　将模型引入 LTspice

　　现在我们已经找到了模型，我们需要将其添加到 LTspice。首先单击模型名称右侧的链接文本。当您这样做时，您将看到一页包含大量 SPICE 参数的文本。图 2 显示了前几行文本的一小部分。

　　90 nm PTM 模型中的几行文本。
　　图 2. 90 nm PTM 模型中的几行文本。图片由亚利桑那州立大学提供
　　复制页面上显示的所有内容并将其粘贴到文本文件中。完成后，将新文本文件保存在包含 LTspice 原理图文件的同一目录中。

　　我将文本文件命名为90nm_bulk.txt（术语“bulk”是指使用标准硅片制造的 CMOS 电路）。. model 语句后面的单词是我们在 LTspice 中引用此模型时使用的名称。我喜欢使用比“nmos”或“pmos”更具体的名称，因此我将模型名称（图 3）更改为nmos_90nm和pmos_90nm。

　　NMOS 和 PMOS 型号名称。
　　图 3. NMOS 和 PMOS 型号名称。图片由 Robert Keim 提供

　　为了使这些模型可供 LTspice 访问，您只需插入一条 SPICE 指令，即.inc [ filename ]。图 4 中的原理图中，库名称用绿色圈出，您可以看到它的样子。

　　具有 PTM 90 nm CMOS 模型的基本 FET 电路。
　　图 4. LTspice 的基本 NMOS 晶体管示意图，带 PTM 90 nm CMOS 模型。图片由 Robert Keim 提供

　　插入nmos4组件后，右键单击它并选择长度和宽度值（图 5）。确保模型名称字段与 SPICE 模型文本文件中使用的名称相匹配。

　　在 LTspice 中选择 NMOS 晶体管的长度和宽度。
　　图 5.在 LTspice 中选择 NMOS 晶体管的长度和宽度。图片由 Robert Keim 提供
　　对于这个 MOSFET，我选择了 90 nm 的长度和 360 nm 的宽度。
　　绘制漏极电流和栅极电压
　　我们可以使用图 4 的原理图快速检查该电路并确定其近似阈值电压。请注意：
　　栅极-源极电压从 0 V 线性增加到 3 V，然后趋于平稳。
　　V DD为恒定的1.2V。
　　图 6 显示了 2 毫秒瞬态模拟的结果。

　　模拟 NMOS 晶体管的漏极电流和栅极电压随时间的变化图。
　　图 6.模拟的 90 nm NMOS 晶体管的漏极电流和栅极-源极电压随时间的变化图。图片由 Robert Keim 提供
　　正如预期的那样，当栅极电压 ( V GS )足够大时，漏极电流开始流动，并且随着V GS 的增加而增加。如果我们放大上面的图，我们可以看到漏极电流曲线开始更快增加的位置（图 7）。

　　当栅极-源极电压大于约 300 mV 时，可能会有显著的漏极电流流动。

　　图 7.当V GS大于约 300 mV时，可能会有显著的漏极电流流动。图片由 Robert Keim 提供
　　当栅极电压达到其阈值时，漏极电流会增加。因此，我们可以说该 MOSFET 的阈值电压约为 300 mV。
　　测量阈值电压
　　确定阈值电压的更严格方法是绘制漏极电流与V GS 的关系图，同时保持漏极-源极电压恒定。然后，我们将所得曲线的线性部分延伸至 x 轴。此线性延伸与 x 轴的交点即为阈值电压。
　　为了执行此模拟，我们将使用图 8 中的示意图。

　　用于绘制漏极电流与栅极电压关系的 LTspice 示意图。

　　图 8. LTspice 原理图，用于绘制漏极电流与栅极电压的关系。图片由 Robert Keim 提供
　　与之前的原理图相比，我们进行了两处更改。首先，我们移除了漏极电阻——M1 的漏极现在直接连接到V DD。这确保了我们有一个恒定的 1.2 V 漏极-源极电压。
　　其次，.tran仿真命令已被.dc仿真命令取代。新命令指示 LTspice 将栅极电压 V1 以 0.01 V 为步长从 0 V 线性变化至 3 V。它还使 LTspice 绘制与 V1 值而非时间相关的仿真结果。图 9 显示了由此产生的漏极电流图。

　　漏极电流与栅极-源极电压的关系，漏极电压保持恒定。