nmos交流小信号

课程设计实验报告NMOSFET管交流小信号特性设计报告人：田敏学号：20084511专业班级：电子科学与技术08-1班学院：电子科学与应用物理学院小组成员：田敏张跃跃孙丽刘娜娜实验日期：2011—12指导老师：宣晓峰一、课程设计的目的通过本课程的学习和训练，了解和掌握本专业基本课程的前提下，在教师的指导下，结合具体设计内容，掌握课程设计的完整过程和各个环节、基本方法和途径，能够根据相关资料或在教师辅导的前提下，利用所学理论完成预定题目的综合性设计。巩固和系统掌握电子科学与技术专业的基本理论知识和各种现代设计工具，通过多人共同完成一项设计任务使我们认识到与人协作的重要性及协作技巧。提高我们理论联系实际的能力、增强学以致用的思维意识，提高专业素质。二、课程设计的内容本课程设计要求设计一个阈值电压为0.45V的nMOSFET，通过dessis的瞬态分析，提取其交流小信号特性，包括栅电容、跨导等。1）运用MDRAW工具设计一个栅长为0.18m的NMOS管的边界及掺杂；在MDRAW下对器件必要的位置进行网格加密；2）根据设计目标编制dessis模拟程序，模拟器件的转移特性，并在终端下运行此程序；3）应用INSPECT工具得出器件的转移特性曲线，并提取出开启电压Vt；4）若开启电压不满足要求，回到第一步调整器件结构，重复1）~3）确定好开启电压为0.45V的器件结构和掺杂分布后，编制新的dessis模拟程序分析此器件在直流偏置Vd=2V，频率分别为1KHz、1MHz和1GHz时的交流小信号特性（栅电容、栅-漏跨导、漏极小信号输出电导等）随Vg的变化（Vg从-2到3V）。三、课程设计的背景在TCAD中，交流特性的模拟是在准静态和瞬态模拟的混合应用下进行的。利用TCAD中的DESSIS工具可以计算小信号的复导纳矩阵（Y矩阵），通过Y矩阵描述给点节点上的电流对另一个节点上小的电压信号的响应：i=Y·u=A·u+j·ω·C·u这里电流i是矢量，用以描述所有节点上的电流，而u是对应的节点上的电压。DESSIS的输出结果则包含了电导矩阵A和电容矩阵C分量。这个电导和电容矩阵可用于计算小信号等效电路或计算其他交流参数，如H，Z或S矩阵等。四、课程设计的流程1.运用MDRAW工具设计一个栅长为0.18m的NMOS管边界及掺杂；在MDRAW下对器件必要的位置进行网格加密；（1）运用MDRAW工具设计一个栅长为0.18m的NMOS管的边界；在终端输入mdraw&，在弹出的页面中按照实验内容要求，画出nmos模型如下图所示，点击Addcontact,标注gate/source/drain,并点击setcontact，在相应位置点击增加点击。设计好后，点击File、saveas保存为nmos.bnd.（2）运用MDRAW对设计的nmos进行掺杂点击Doping，进入掺杂界面。首先对衬底进行掺杂，点击ADDContactP，在弹出的对话框内输入相应参数如下,其中衬底掺杂决定了nmos的阈值电压，掺杂浓度的修改取决于inspect软件中提取的阈值电压的值，若阈值电压的值大于要求的值，则需减小衬底掺杂浓度，若大于要求的值，则增大衬底掺杂浓度，直到达到要求的值。点击OK，完成衬底掺杂。再对源极掺杂：源极掺杂分两步，第一部为重掺杂，其尺寸、浓度及掺杂类型如下：第二部为轻掺杂，其尺寸、浓度及掺杂类型如下：漏极掺杂与源极类似，也分为两步，其重掺杂、轻掺杂参数如下图;最后对沟道掺杂，参数如下：（3）构建网格：点击ADDRefinement,点击ExactCoordinates,在nmos管区域画一个矩形，此时弹出如下对话框：最后点击菜单栏Mesh——BuildMesh，构建网格（4）保存文件：点击File——SaveAll。2.编写dessis程序：以下为栅电压频率为1k时的程序,将文件保存为nmos_des.cmd：Devicenmos{File{*inputfiles:Grid=nmos_mdr.grdDoping=nmos_mdr.dat*outputfiles：Current=“n3_des.pltPlot=n3_des.dat}Electrode{{Name=sourceVoltage=0.0}{Name=drainVoltage=2.0}{Name=gateVoltage=0.0Barrier=-0.55}}Plot{eDensityhDensityeCurrenthCurrentElectricFieldeEparallelhEparalleleQuasiFermihQuasiFermiPotentialDopingSpaceChargeDonorConcentrationAcceptorConcentration}Physics{Mobility(DopingDepHighFieldSaturationEnormal)EffectiveIntrinsicDensity(BandGapNarrowing(OldSlotboom))}}Math{ExtrapolateRelErrControlNotdamped=50Iterations=20}file{Output=n3_des.logACExtract=n3_des.acplot}System{Nmostrans(drain=dsource=sgate=g)Vsource_psetvd(d0){dc=2}Vsource_psetvs(s0){dc=0}Vsource_psetvg(g0){dc=0}}Solve{#-a)zerosolutionPoissonCoupled{PoissonElectron}#-b)rampgatetonegativestartingvoltageQuasistationary(InitialStep=0.1MaxStep=0.5MinStep=1.e-5Goal{Parameter=vg.dcVoltage=-2}){ACCoupled(StartFrequency=1e3EndFrequency=1e3NumberOfPoints=1DecadeNode(dsg)Exclude(vdvsvg)){PoissonElectron}}}3.应用INSPECT工具得出器件的转移特性曲线，并提取出开启电压Vt在终端输入dessisnmos_des.cmd(回车)，dessis软件仿真完程序后，在终端输入inspect&(回车)，在弹出的界面中，点击File、loaddatesets，选中n3_des.acplot_ac_des.plt，在左边一栏选中v(g)作X轴，a(d,g)作LeftY轴，同样，选v(g)作X轴，a(d,d)作LeftY轴，c(g,g)作RightY轴，在工具栏点击logY2，图像如下：如图所示，横坐标为栅电压，左边的纵坐标为特性曲线，右边的纵坐标为栅电压。黑色的线为转移特性曲线，红色的线为传输特性曲线，蓝色的线为栅电容曲线。由图可见，转移特性曲线中漏极电流在栅电压大约0.3V以后迅速上升，而传输特性曲线中变化不明显，而栅电容先随栅电压的增大而减小，在栅电压约为0.3V时，时达到最小值，而后随栅电压的增大而增大。点击New，在弹出的界面左下方选中VT，在左上方选中Admittance,提取阈值电压如下图：同样，点击gm，选中Admittance，提取跨导如下图：4.改变栅电压频率（1）将栅电压频率变为1M将程序file中Current=“n3_des.pltPlot=n3_des.dat改为Current=“n6_des.pltPlot=n6_des.dat将Output=n3_des.logACExtract=n3_des.acplot改为Output=n6_des.logACExtract=n6_des.acplot将倒数第六行StartFrequency=1e3EndFrequency=1e3改为StartFrequency=1e6EndFrequency=1e6将程序另存为nmos_6_des.cmd，在终端中输入dessismos_6_des.cmd，仿真完程序后输入inspect&，其余步骤同栅电压频率为1kHz时相同，图像、阈值电压、跨导如下图：（2）将栅电压频率变为1G将程序file中Current=“n3_des.pltPlot=n3_des.dat改为Current=“n9_des.pltPlot=n9_des.dat将Output=n3_des.logACExtract=n3_des.acplot改为Output=n9_des.logACExtract=n9_des.acplot将倒数第六行StartFrequency=1e3EndFrequency=1e3改为StartFrequency=1e9EndFrequency=1e9将程序另存为nmos_9_des.cmd，在终端中输入dessismos_6_des.cmd，仿真完程序后输入inspect&，其余步骤同1k时相同，图像、阈值电压、跨导如下图：由图可见，随栅电压上的小信号的频率的改变，即1kHz、1MHz、1GHz下，其转移特性曲线、传输特性曲线、栅电容的差别并不大。五、实验心得通过这次实验，使我对Mdraw、Dessis、Inspect等相关软件的使用有了更深入的了解。从刚开始对这个软件的陌生，慢慢摸索到现在基本掌握，但还不能说是精通。使我深刻的体会到学习的重要性，培养独立自主学习能力和解决问题能力的重要性。特别是这个专业，实用性特别强，要在这个学科取得成绩，对各种软件的精通使用无疑是至关重要的。所以在以后的学习中，我会积极培养自己这方面的兴趣，在不断学习的的过程中掌握其并熟练应用。最后，感谢宣晓峰老师的耐心指导，还有其他同学对我的帮助！