实验三-MOS管参数仿真及Spice学习
SPICE仿真软件基础
现在常用的SPICE仿真软件为方便用户使用都提供了较好的用户界面，在用仿真库中的元器件连成原理图后就可以进行仿真（当然要设置必要的仿真参数），但实际上只是用原理图自动产生了SPICE的格式语句，还是要通过读取语句来进行仿真，这是历史的遗留问题。
在当时的技术条件下，不能用图形方式输入电路结构，只能通过文本文件来描述，也就是所谓网表。
SPICE软件的设计者规范了要进行仿真的电路对应的SPICE网表文件格式，还定义了许多仿真描述语句和分析控制语句等，使仿真软件能通过读取这些特殊信息来进行相关计算和运行，最后获得要求的结果。
因为技术的进步，虽然现在已经不需要手工书写并输入网表了，但了解一些基本语句还是很有用的，不仅可以理解仿真时要设置的那些参数的含义，而且在出错时还易于通过网表来排错。
SPICE网表文件是文本文件，默认的输入文件名为：*.cir因为目前各个版本的SPICE软件都已图形化，并增加了很多功能，所以产生的语句顺序和格式有了一些变化，但主要是以*开头的注释语句的不同变化，便于阅读和模块化，而基本的语句变化不大，包括以下几种：1) 标题语句：网表文件第一行为标题语句，由任意字符串和字母组成，软件并不处理，而是直接在输出文件中作为第一行打印出来2) 注释语句：由*开头的字符串，为文件的说明部分，为方便阅读而在自动产生的SPICE网表文件中大量存在3) 电路描述语句：定义电路拓扑结构和元器件参数的语句，由元器件描述语句、模型描述语句、电源语句等组成4) 电路特性分析和控制语句：以.开头的语句，描述要分析的电路特性及控制命令5) 结束语句：即.END ，标志电路描述语句的结束，在文件最后一行（最后将会给出SPICE网表文件的例子）一、电路描述语句：是SPICE网表文件中最多也最复杂的，有以下一些规定：1) 名称：为字符串，只有前8个字符有效，其中第一个字符必须为A--Z的字符，且有固定含义，对应不同类型的元件2) 数字：有几种形式，整数、浮点数、整数或浮点数加上整数指数、浮点数或整数后面加上比例因子常用的比例因子：有T、G、MEG、K、M、U、N、P、F、MIL等，不分大小写3) 分隔符：有空格、逗号、等号、左括号、右括号等4) 续行号：“+”，一行最多只能有80字符，如一行无法表达完全，可在第二行起始加+号，表示是前一行的继续5) 单位：使用国际标准单位制，语句中缺省6) 规定支路电流的正方向和支路电压的正方向一致7) 节点编号：可以是任意的数字或字符串，节点0规定为地，不允许有悬浮的节点，即每个节点对0节点都必须有直流的通路。
MOS器件建模及仿真
-8
-1.0 V -0.5 V 0V
IDS (A)
-3.0x10 -2.0x10 -1.0x10
-7
-7
-8
0.0 2.0x10 4.0x10
-8
-7
0.0
0 -1 -2 -3 -4 -5 -6
-8
1.0x10
-7
VDS (V)
0
-1
-2
-3
-4
-5
-6
VDS (V)
P3HT-TFT with HfTiO as gate dielectric
电流密度:
n 1 Jn R t q x p 1 Jp R t q x n q n J n qDn n x x p J p qDp q p p x x
华南理工大学电子与信息学院
● MOSFET结构和工作原理
1、MOSFET的基本结构
华南理工大学电子与信息学院
● MOSFET模型参数提取
MOS晶体管模型中的参数可通过数值模拟器得到， 也可通过测量大量的不同尺寸（不同沟道长度和宽度） 的实验器件得到（即从各种不同尺寸MOSFET的I-V和 C-V曲线中提取模型参数）.
● 课程主要内容 1）MOS电容特性 2）MOSFET中的阈值电压 3）MOSFET直流DC模型与动态模型 4）MOS器件性能表征与参数提取
VGS=0 V
-0.1 5V 10 V 0.0 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35
0.0 0 -5 -10 -15
-20
-25
Drain voltage (V)
VDS (V)
10
-7
MEHPPV-TFT with SiO2 as gate dielectric
MOS spice参数
2002.5半导体器件4.61第四章MOSFET4.6 MOSFET 模型2002.5半导体器件4.624.6 MOSFET 模型本节内容MOSFET 模型简介MOS1和MOS2模型及模型参数介绍 电容模型（介绍Meyer 电容模型）模型参数提取2002.5半导体器件4.634.6.1 MOSFET 模型简介MOSFET 模型发展至今，已有五十多个模型。
下面简单介绍几个有代表性的模型：Level 1 ——MOS1模型（Shichman-Hodges 模型），该模型是Berkley SPICE 最早的MOST 模型，适用于精度要求不高的长沟道MOST 。
电容模型为Meyer 模型，不考虑电荷贮存效应Level 2 ——MOS2模型，该模型考虑了部分短沟道效应，电容模型为Meyer 模型或Ward-Dutton 模型。
Ward-Dutton 模型考虑了电荷贮存效应。
2002.5半导体器件4.644.6.1 MOSFET 模型简介Level 3 ——MOS3模型，为半经验模型，广泛用于数字电路设计中，适用于短沟道器件，对于沟道长度≥2µm 的器件所得模拟结果很精确。
BSIM 模型——B erkeley S hort-Channel I GFET M odel 。
BSIM 模型是专门为短沟道MOST 而开发的模型。
目前已经发展到BSIM4模型。
Level 4 ——BSIM1模型，适合于L ≈1µm ，t ox ≈15nm 的MOSFET 。
4.6.1 MOSFET 模型简介BSIM1模型考虑了小尺寸MOST 的二阶效应包括 垂直电场对载流子迁移率的影响； 速度饱和效应；DIBL （漏场感应势垒下降）效应； 电荷共享；离子注入器件的杂质非均匀分布； 沟道长度调制效应； 亚阈值导电；参数随几何尺寸的变化基本公式是萨方程的修正4.6.1 MOSFET 模型简介HSPICE Level 28 ——改进的BSIM1模型，适用于模拟电路设计，目前仍有广泛应用。
SPICE仿真实验报告
SPICE仿真实验报告
SPICE仿真实验
1.实验目的
（1）练习使用标准SPICE的元件描述语句，分析语句，输出语句，模型语句等，熟练掌握电路元件的编写；
（2）能够根据电路分析的具体要求灵活使用SPICE；
（3）练习使用aim-SPICE软件，特别是其中的标准SPICE分析功能。
2.实验设备：aim-SPICE Student V验7-1：解直流电路习题1
实验7-2 解直流电路习题2
实验7-4 文氏电桥电路的频率特性
实验7-5 RC电路的一阶过渡过程
实验7-6 RLC串联电路的二阶过渡过程
实验7-7 画二极管伏安特性曲线
实验7-8 画三极管的输出特性曲线
Spice仿真
仿真功能简介
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四、 Pspice的基本电路特性分析
1 . 静态工作点分析
静态工作点分析就是将电路中的电容开路，电 感短路，对各个信号源取其直流电平值，计算电路 的直流偏置量。
例：求基本放大电路 的静态工作点。步骤 如下： （1）用Capture软 件画好电路图
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（2） 建立模拟类型分组。
仿真步骤
（1）新建仿真设计项目；
（2）输入电路结构；
（3）编辑修改电路元器件标号和参数值，包括直流电源 和信号源参数； （4）创建仿真简要表（Simulation Profile），设置分 析功能； （5）执行仿真； （6）仿真结果分析及输出。
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新建设计项目(File/New/Project)
5.0mV 0V SEL>> -5.0mV 1.0V V(Vs:+) 0V
-1.0V
返回
0s V(Out)
0.4ms
0.8ms Time
1.2ms
1.6ms
2.0ms
频域分析
幅频特性dB(V(Vo)/V(i)) 输入阻抗V(i)/ I(i) 输出阻抗
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求解输出阻抗
修改电路： 令Vs=0，信号源短路，取掉负载RL，外加 一个信号源VSIN(400mv) 其他步骤与“输入电阻的频率响应”分析相同 Ro =V(Vo)/I(Vs)
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连线与设置节点名
（1）连线。①启动Place/Wire命令。 ②按对应的绘图 快捷键 （2）设置节点名。例如，想把输出端的节点起名为Out。 步骤如下：
①启动Place/Net Alias命令，或按对应的绘图快捷键 ，屏幕 上出现设置框。在设置框中键入节点名（例Out）。 ② 按OK键，则光标处 附着一个小方框，将光标移至设置节点 名的位置，按鼠标左键，新节点名即出现在该位置。
MOS放大电路设计、仿真与实现实验报告
1uF,4.7uF,37uF
各1只
三.预习要求
1.设计 MOS 单管的电阻，电容值，满足放大指标 2.使用 Pspice 仿真软件对所设计的放大电路进行仿真。 3.在面包板上搭建电路，准备测试放大电路的性能指标
四.实验原理及参考电路
本实验采用 2N7000 MOS 管以及阻容耦合实现对交流小信号的方法。
下限截止频率计算公式如下：
则������ =
× . ×(
= 2.2������������
. )×
9.64������������/������
������ =
= 32.6������������
2 × 3.14 × 47������������
1
������ =
= 14.9������������
（3）经计算并仿真后，最终确定 Rg1 = 240kΩ,Rg2 = 100kΩ Rs = 1kΩ C1 = 1uF, C2 = 4.7uF, Cs = 47uF
此时各项指标均达到要求。
2.Pspice 电路仿真，验证设计的性能
（1）电路图以及静态工作点
静态工作点: ������ ������ ������
输出电阻在中频区几乎保持 3kΩ不变；在高频区，随频率升高，输入电阻逐渐减小。
(7) 非线性失真观察 a）将 Rp 调整为最大值 470k 欧姆，静态分析结果如下：
瞬态分析结果如下：
由图可知输出的正半周出现明显的饱和失真
2) 将 Rp 调整为最小值 0.01 欧姆，静态分析结果如下：
瞬态分析结果如下：
4. 交流信号放大性能指标测试
（1）电压增益 Av： 实验测量时，输入不失真的频率为 1kHz 的正弦波，用示波器测量输出电压 Vopp 与输
MOS管相关仿真实验报告
MOS管相关仿真实验报告
一．MOS管共源放大电路仿真（基本要求）
电路如右图所示，
注意：1）设置静态工作点时，调整电位器Rp，使Vd为5~6V.
2）仿真时输出端必须接负载，否则会报错（可以将阻值设为很大的值来仿真开路情况）
放大电路仿真验证设计与仿真要求
(1)电路图
(2)静态工作点:ID、VGs、Vs
得ID=1.34862mA，VGs=2.16362V，Vs=1.41740V
(3)输入、输出电压波形,并计算电压增益A
即得电压增益为Av=45.4773
(4)幅频响应曲线:db((vo)(vs:+),测中频增益、上限频率fH和下限频率fL
如图，由图可知，测得中频增益为45.5854，上限频率fH=797.844kHz，下限频率fL=33.4688Hz (5)相频响应曲线:Vp(Vo)-p(vs:+)或p(V(vo)/Vvs:+))
(6)输入电阻的频率响应:Ri—V(v(i))/I(Vs)
(7)输出电阻的频率响应:Ro—V(V(o))/I(Vs)
(8)非线性失真现象
1)将Rp调整为最大值,做静态分析和瞬态分析,记录静态工作点和波形。
静态分析如下
瞬态分析如下
2)将Rp调整为最小值(不能为0,0是非法值),再做静态分析和瞬态分析,记录静态工作点和波形。
(如果发现没有失真,可以增大输入信号幅值。
)
静态分析如下
瞬态分析如下
由于此时失真不明显，故将输入振幅调至9V得到波形如下
得到明显失真图像。
选做部分
二．MOS管特性曲线仿真任务一：MOSFET输出特性曲线仿真
任务二：MOSFET转移特性曲线仿真。
实验三-MOS管参数仿真及Spice学习
实验三-MOS管参数仿真及Spice学习一、实验介绍本次实验的主要内容是对MOS管参数进行仿真，并通过Spice软件进行电路模拟，掌握MOS管参数和Spice软件的使用方法。
本实验主要包括以下内容：1.MOS管参数的基本概念和理论知识2.PSpice软件的使用方法3.MOS管参数的仿真实验二、MOS管参数的基本概念和理论知识MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）是一种常用的半导体器件，广泛应用于数字电路、模拟电路和功率电子器件等领域。
MOS管中最常用的参数有场效应迁移率，漏极电阻，漏极导纳，截止电压等。
下面分别介绍这些参数的定义和作用。
1.1 场效应迁移率场效应迁移率是描述MOS管输出特性的重要参数，通常用符号μ表示，单位为cm2/Vs，是指电子在沟道中移动的速度与电场强度之比。
MOS管的场效应迁移率与沟道电阻、沟道长度、衬底材料等因素有关，一般情况下，迁移率越高，MOS管的性能越好，但也需要考虑其他因素的影响。
1.2 漏极电阻漏极电阻是指当MOS管工作在 saturation 区时，漏极电压变化时引起的漏极电流变化的比值，通常用符号rds表示，单位为欧姆。
MOS管的漏极电阻直接影响其输出电压的变化范围，漏极电阻越大，输出信号的电压变化范围就越小，反之亦然。
1.3 漏极导纳漏极导纳是指MOS管漏极电阻的导纳值，通常用符号Gds表示，单位为S （西门子）。
MOS管的漏极导纳与漏极电阻成反比，漏极电阻越小，漏极导纳越大，输出信号的电压变化范围也就越大。
1.4 截止电压截止电压是指当MOS管工作在截止区时，栅源电压达到的最大值，超过这个值后MOS管就会进入饱和状态，通常用符号VGS(off)表示，单位为伏特。
MOS管的截止电压与其工作状态有关，在设计电路时需要合理选择MOS管的截止电压，以确保电路的正常工作。
以上是MOS管常用的几个参数，这些参数的选择和设计对电路的性能和稳定性都有很大的影响，需要仔细考虑。
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实验三 MOS管参数仿真及Spice学习
刘翔 10214070
一、实验内容和要求。
实验内容：
（1）使用S-Edit绘制电路图，将其转换成Spice文件。
（2）利用T-Spice的对话框添加仿真命令。
（3）利用W-Edit观察波形。
实验要求：
（1）利用Tanner软件中的S-Edit、T-Spice和W-Edit，对NMOS管的参数进行仿真。
NMOS器件的T-Spice参数仿真内容如下：
a. MOS管转移特性曲线（给定VDS、W、L，扫描VGS）。
b. MOS管输出特性曲线（给定VGS、W、L，扫描VDS）。
c. 温度对MOS管输入/输出特性的影响（给定VGS、VDS、W、L，扫描Temp）。
d. MOS管W对输入/输出特性的影响（给定VGS、VDS、W/L，扫描W）。
e. MOS管L对输入/输出特性的影响（给定VGS、VDS、W/L，扫描L）。
f. MOS管W/L对输入/输出特性的影响（给定VGS、VDS、L，扫描W）。
g. MOS管开关电路输入/输出波形（输入一定频率的方波）。
h. 在MOS管开关电路输入/输出波形中找出传输时间、上升时间和下降时间。
i. MOS管开关电路传输特性曲线。
j. MOS管W/L对传输特性的影响（给定L、扫描W）。
k. 在MOS管传输特性曲线上找出测量输入、输出电压门限，计算噪声裕度。
（2）记录操作步骤，截取相应图片，完成实验报告。
二、实验环境、Tanner软件简介及SPICE命令。
实验环境：
Tanner（S-Edit、T-Spice、W-Edit）
SPICE命令的插入：
Edit —Insert Command命令或工具栏中的，打开T-Spice Command Tool（T-Spice命令工具）对话框，可以在活动输入文件中插入命令。
三、实验流程框图。
四、实验步骤。
1.在S-Edit中绘制电路原理图，导出SPICE文件。
（1）新建一个文件file-new，新建一个模块，module-new，添加所需要的工艺库。
（2）绘制原理图。
注：用导线连接电路，用改变器件属性，并保存。
（3）点击图标导出SPICE文件。
2.在T-Spice中添加仿真命令，通过W-Edit观察波形。
点击图标，打开T-Spice Command Tool（T-Spice命令工具）对话框，在活动输入文件中插入仿真命令。
（1）添加所需的工艺库。
注：library section项填tt。
（2）分析NMOS管的转移特性。
分别加入analysis—dc transfer—sweep和output—DC results指令，点击进行仿真。
转移特性曲线：
（3）分析NMOS管的输出特性。
输出特性曲线：
（4）温度对NMOS管输入/输出特性的影响。
温度扫描：
（5）NMOS器件宽长比对输入/输出特性的影响。
由于要讨论nmos管宽长比对输入输出特性的影响，所以固定L，让W 变化。
先将SPICE文件中nmos管的参数W=2.4u改为W=w ，即设W 为变量w，然后设置变量w的初始值，最后设置让w从0.55u到10u 进行线性扫描，一共扫描20个点。
SPICE文件：
NMOS宽长比对输入/输出特性的影响：
3. MOS管开关电路。
（1）绘制原理图。
（2）在T-Spice中加入仿真命令，进行输出电压的直流扫描和输入输出电压的瞬态扫描。
输出电压的直流扫描和输入输出电压的瞬态扫描：
（3）MOS管开关电路时间的测量。
通过Output->measure命令，计算上升下降时间。
在measure命令窗口中，Analysis为分析类型； measurement result为项目名称；trigger及target为触发栏，记录事件发生的时间。
（4）MOS管宽长比对开关电路的影响。
SPICE文件：
输出波形：
开关电路的电压门限及噪声裕度：
利用标尺工具，估测电压门限V（OL）、V（OH）、V（IH）、V（IL），计算下列参数。
低电平噪声容限：NML=V(IL)-V(OL)；
高电平噪声容限：NMH=V(OH)-V(IH)。
V（OL）=0.46 V（OH）=5
V（IH）=2.87 V（IL）=1.1
NML=V(IL)-V(OL)=0.64
高电平噪声容限：NMH=V(OH)-V(IH)=2.13。