使用先进的SPICE模型表征NMOS晶体管

为特定CMOS工艺节点设计的SPICE模型可以增强集成电路晶体管的模拟。了解在哪里可以找到这些模型以及如何使用它们。

我最近写了一系列关于CMOS反相器功耗的文章。该系列中的模拟采用了LTspice库中预加载的nmos4和pmos4模型。虽然这种方法完全适合这些文章，但如果我们的主要目标是准确模拟集成电路MOSFET的电学行为，那么结合一些外部SPICE模型是有意义的。

在本文中，我将介绍下载用于IC设计的高级SPICE模型并在LTspice原理图中使用它们的过程。然后，我们将使用下载的模型对NMOS晶体管进行一些基本的电学表征。

寻找用于仿真的Spice模型

以前，我的免费MOSFET模型来源是预测技术模型（PTM）网站。不幸的是，URL不再处于活动状态，但您仍然可以通过网站的存档版本访问模型。你也可以尝试以下任何一种模型来源，尽管我还没有使用过它们：

SkyWater与谷歌合作提供的130 nm CMOS模型，用于创建开源工艺设计套件（PDK）。

来自北卡罗来纳州立大学的FreePDK。

在本文中，我们将使用PTM网站上的CMOS模型。你可以导航到我链接到上面的网站档案，然后点击“最新型号”来找到它。在那里，你会看到大量适用于不同CMOS工艺节点的SPICE型号，从180 nm一直到7 nm多栅极技术。

我们希望PTM型号标记为“90nm BSIM4大体积CMOS型号卡”。图1显示了最新型号页面的相关部分，正确的型号用绿色圈出。

用于体CMOS的90nm BSIM4型号卡。

图1。用于体CMOS的PTM 90 nm BSIM4型号卡。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我们的模型，我们需要将其添加到LTspice中。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显示了前几行中的一小部分文本。

90 nm PTM型号的几行文字。

图2:90 nm PTM型号的几行文字。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，将新的文本文件保存在保存LTspice原理图文件的同一目录中。

我将我的文本文件命名为90nm_bulk.txt（术语“bulk”指的是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中用来引用此模型的名称。我喜欢使用比“nmos”或“pmos”更具体的东西，所以我将模型名称（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LTspice可以访问这些模型，您所需要做的就是插入一个SPICE指令，其中包含.inc[filename]。图4中的示意图中的库名称用绿色圈出，这样您就可以看到它的样子。

PTM 90 nm CMOS模型的基本FET电路。

图4。具有PTM 90nm CMOS模型的基本NMOS晶体管的LTspice示意图。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匹配。

选择LTspice中NMOS晶体管的长度和宽度。

图5。选择LTspice中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纳米的长度和360纳米的宽度。

绘制漏极电流和栅极电压

我们可以使用图4的示意图对该电路进行快速检查，并确定其近似阈值电压。请注意：

栅极-源极电压从0V线性增加到3V，然后变为电平。

VDD是常数1.2V。

图6显示了2ms瞬态模拟的结果。

模拟NMOS晶体管的漏极电流和栅极电压与时间的关系图。

图6。模拟的90nm NMOS晶体管的漏极电流和栅极到源极电压与时间的关系图。图片由Robert Keim提供

正如预期的那样，当有足够的栅极电压（VGS）时，漏极电流开始流动，并且随着VGS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地增加（图7）。

当栅极到源极电压大于大约300mV时，显著的漏极电流可以流动。

图7。当VGS大于约300 mV时，可能会流过大量漏极电流。图片由Robert Keim提供

当栅极电压达到其阈值时，漏极电流的流量会增加。因此，我们可以说该MOSFET的阈值电压约为300mV。

测量阈值电压

识别阈值电压的一种更严格的方法是绘制漏极电流与VGS的关系图，在这样做的同时保持漏极到源极的电压恒定。然后将所得曲线的线性部分延伸到x轴。该线性延伸与x轴相交的点是阈值电压。

要执行此模拟，我们将使用图8中的示意图。

绘制漏极电流与栅极电压关系的LTspice示意图。

图8。绘制漏极电流与栅极电压关系的LTspice示意图。图片由Robert Keim提供

对之前的示意图进行了两次更改。首先，我们去掉了漏极电阻器——M1的漏极现在直接连接到VDD。这确保了我们具有1.2V的恒定漏极-源极电压。

其次，.tran仿真命令已被.dc仿真命令所取代。新命令告诉LTspice以0.01V的步长从0V到3V线性地改变栅极电压V1。它还使LTspice绘制模拟结果与V1值的关系图，而不是与时间的关系图。图9显示了最终的漏极电流图。

漏极电流与栅极到源极电压，漏极电压保持恒定。

图9。漏极电流与栅极-源极电压的关系。漏极电压保持恒定。图片由Robert Keim提供

正如预期的那样，漏极电流随着栅极电压的增加而稳步增加。接下来，我们放大并将曲线的线性部分延伸到水平轴（图10）。

红色虚线将漏极电流曲线的线性部分延伸到x轴。

图10。红色虚线将漏极电流曲线的线性部分延伸到x轴。图片由Robert Keim提供

该方法为我们提供了大约320 mV的阈值电压，这既接近于之前的近似值，也与我们对90 nm NMOS技术的期望一致。

下一篇

在本文中，我们使用LTspice和预测技术模型集合中的90nm CMOS模型来模拟基本NMOS电路并识别其阈值电压。我们将在下一篇文章中讨论其他表征技术。