Labor Mikroelektronik Versuch 1: NMOS
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Labor Mikroelektronik Prof. Dr.-Ing. Frank Kesel Dipl.-Ing.(FH) Manuel Gaiser Dipl.-Ing.(FH) Uwe Halmich Versuch 1: NMOS-Transistor Stand: 25.2.2010 1 Aufgabenstellung Da man integrierte Schaltungen nicht versuchsweise aus diskreten Bauelementen zusammenlöten kann, muss man eine Möglichkeit haben, das Verhalten der Schaltung vor der (sehr teuren) Fertigung zu untersuchen. Der Standardweg heute ist eine Simulation, d.h. eine Nachbildung der Schaltung als ablauffähiges Modell auf einem PC. Während bei digitalen Schaltungen üblicherweise eine Simulation eines VHDL-Modells benutzt wird, kann man das Verhalten einer analogen Schaltung mit einem digitalen VHDL-Simulator nicht untersuchen. Hierzu wird ein Analogsimulations-Programm benötigt, wie beispielsweise PSpice, welches Sie in diesem Labor für die Simulation verwenden werden. Sie werden dabei im Verlauf des Labors unter anderem auch sehen, dass ein “digitaler” Inverter eben im Grunde doch eine “analoge” Schaltung ist. Sie sollen im ersten Versuch die Kennlinien eines NMOS-Transistors durch Simulation mit PSpice ermitteln. Hierzu sollen Sie gemäß Abbildung 1 die Schaltung zunächst mit OrCAD als Schema eingeben und diese Schaltung dann anschließend simulieren. Wie aus der Abbildung ersichtlich, wird der Gate- und der Drain-Anschluss des Transistors jeweils mit einer Gleichspannungsquelle verbunden. Source- und Bulk des Transistors sowie die Minuspole der Spannungsquellen werden auf ein W=1U L=1U Abbildung 1 : OrCAD-Schaltplan gemeinsames Massepotential gelegt. Nachfolgend finden Sie die einzelnen Schritte zur Eingabe und Simulation der Schaltung sowie am Schluss eine Beschreibung der von ihnen erwarteten Simulationsergebnisse. Wichtig: Da Sie Ihre Simulationen mit Hilfe von Handberechnungen auf Plausibilität prüfen sollen, müssen Sie sich vor dem Labortermin vorbereiten. Nehmen Sie Ihr Vorlesungsskript mit oder schreiben Sie sich die wichtigsten Formeln ab. Machen Sie sich vor dem Labortermin klar, welche Formeln Sie benötigen! Während des Labors werden Sie nur Hilfestellungen zu den CADTools erhalten. Wir gehen davon aus, daß Sie den theoretischen Teil zum MOSFET aus der Vorlesung kennen, und werden daher hierzu keine weiteren Erklärungen geben. Die Simulationsergebnisse sollen Sie ausdrucken und zusammen mit Ihren Berechnungen am Ende des Laborversuchs abgeben. Wenn die Simulationsergebnisse und die Berechnungen richtig sind, gilt der Laborversuch als bestanden. 2 Anlegen eines Projekts mit OrCAD Starten Sie das Programm “OrCAD Capture” unter Windows mit “Start->Labore->Mikroelektronik“. Legen Sie mit “File->New->Project” ein neues Projekt an: Labor Mikroelektronik Versuch 1: NMOS-Transistor Seite 2 / 9 Name: v1 Typ ("Create a New Project Using"): Analog or Mixed A/D Speicherort ("Location"): c:\users\<Anmeldename> Schließen Sie Ihre Eingaben mit "OK" ab. Da ein leeres Projekt erstellt werden soll, wählen Sie im nächsten Dialogfenster die Option "Create a blank projekt". 3 Eingabe der Schaltung im Schema-Editor Nach Ausführen von Abschnitt 2 sollten Sie nun einen geöffneten Schema-Editor vor sich haben. Nun können Sie die Bauelemente auswählen, platzieren und miteinander verbinden. Die Bauelemente wählen Sie im Menü “Place->Place Part” aus. Die gleichen Menüpunkte finden Sie auch in symbolischer Form auf der Leiste am rechten Rand. Legen Sie in Ihrem Benutzerverzeichnis „c:\users\<Anmeldename>“ ein Verzeichnis „libs“ an und speichern Sie darin die Bibliotheken, die Sie von der Mikroelektronik-Laborseite im Internet herunterladen können. Fügen Sie durch Anklicken des gestrichelten Rechtecks in der Sektion "Libraries:" die Bibliothek „MOSPARTS“ („c:\users\<Anmeldename>\libs\mosparts.olb“) hinzu. Sie bekommen nun unter „Part List:“ eine Auswahl der verfügbaren Bauelemente. Wählen Sie das Bauelement “NMOS” mit einem Doppelklick aus und platzieren Sie es im Schema-Fenster. Mit der “Esc”-Taste können Sie den aktuellen Eingabemodus deaktivieren. Platzieren Sie in gleicher Weise die beiden Spannungsquellen VDC. Platzieren Sie zuletzt noch das GND-Symbol (Place->Ground), dies ist der gemeinsame Massebezugspunkt der Schaltung. Fügen Sie hierzu in der Dialogbox „Place Ground“ über den Schalter „Add Library“ die Bibliothek „c:\Programme\CAEE\OrCAD\OrCAD_16.2\tools\capture\library\pspice\source.olb“ hinzu und wählen Sie aus dieser Bibliothek das Element „0“. Verbinden Sie nun die Bauelemente entsprechend der Aufgabenstellung entweder mit „Place->Wire“ oder unter Verwendung des entsprechenden Symbols aus der Werkzeugleiste. Geben Sie den Netzen eigene Namen („Place->Net Alias“). Zuletzt müssen verschiedene Parameter der Bauelemente und Spannungsquellen noch geändert werden. Aktivieren Sie hierzu das Bauelement mit der Maus und wählen Sie unter “Edit->Properties” den Properties-Editor aus (oder Doppelklick auf Bauelement). In den Parameter-Feldern können die Werte verändert und mit “Apply” übernommen werden. Alternativ können Sie die Parameter im Schema durch Doppelklick aktivieren und ändern. Hier sind die für die Aufgabe relevanten Parameter der einzelnen Bauelemente und der Spannungsquellen: MOSFET NMOS: “W” (Weite), “L” (Länge) Gleichspanungsquelle VDC: “DC” (Gleichspannungswert) 4 Vorbereiten der Schaltung für Pspice Nachdem die Schaltung in Abschnitt 3 eingegeben wurde, kann sie mit dem Simulationsprogramm Pspice simuliert werden. Pspice ist eine auf PCs lauffähige Version des bekannten Analogsimulations-Programms SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis), welches in den siebziger Jahren an der “University of California at Berkeley” in den USA entwickelt wurde. Mit PSpice können analoge Schaltungen mit folgenden Analysearten untersucht werden: Labor Mikroelektronik Versuch 1: NMOS-Transistor Seite 3 / 9 -> DC-Analyse: Hierbei handelt es sich um eine (nichtlineare) Gleichstromanalyse. Damit können die Ströme und Spannungen im Netzwerk bestimmt werden, um beispielsweise einen Arbeitspunkt zu bestimmen. Da es sich um Gleichstrom handelt sind, werden die Spulen als Kurzschlüsse und die Kondensatoren als Unterbrechungen modelliert. Variiert man einen oder zwei Parameter einer Schaltung, so kann man eine DC-Übertragungskurve oder -Kennlinie berechnen. Diese Analyseart heißt “DC Sweep”: Wir werden diese Analyseart in dieser Aufgabe benutzen. -> AC-Analyse: Hierbei handelt es sich um eine lineare Wechselstrom-Kleinsignalanalyse. Es können Übertragungsfunktionen der Schaltung in einem definierten Frequenzbereich bestimmt werden. Wir werden diese Analyseart in diesem Labor nicht benötigen. -> Transienten-Analyse (Time Domain): Hierbei handelt es sich um eine nichtlineare Großsignalanalyse im Zeitbereich, also das Zeitverhalten der Schaltung. Sie kann benutzt werden um beispielsweise das Einschwingverhalten eines Schaltkreises zu untersuchen. Wir werden diese Analyseart im nächsten Versuch benötigen. Die Schnittstelle zwischen der Schemaeingabe und Pspice ist eine sogenannte “Netzliste”, das ist die textuelle Beschreibung des Schemas. Generieren Sie, zur Überprüfung ob Sie das Schema richtig eingegeben haben, zunächst diese Netzliste unter “PSpice->Create Netlist”. Sie sollte in etwa so aussehen (“PSpice->View Netlist”): * source V1 M_M1 VDS VGS 0 0 TN W=1U L=1U V_V1 VDS 0 5Vdc V_V2 VGS 0 5Vdc Aufgelistet sind die Bauelemente und Spannungsquellen zeilenweise. Die Bedeutung ist wie folgt: MOSFET M_M1: Name Drain Gate Source Bulk Modellname Weite Länge Gleichspannungsquelle V_V1 und V_V2: Name pos.Anschluss neg.Anschluss Spannungswert Der Massepunkt der Schaltung muß immer die Bezeichnung “0” tragen. Der Modellname TN des MOSFET bezieht sich auf ein zugeordnetes Simulationsmodell, in welchem die Parameter des MOSFET beschrieben sind. Wo diese Parameter herkommen und einige weitere Einstellungen können in einem “Simulation Profile” für PSpice eingestellt werden. Legen Sie unter “PSpice->New Simulation Profile” ein neues Simulationsprofil mit einem sinnvollen Namen an. Dann öffnet sich ein neues Fenster in welchem Sie nun einige Einstellungen durchführen können. Unter der Schaltfläche “Configuration Files” suchen Sie in der Kategorie „Library“ mit “Browse” nach der Bibliothek “C:\users\<Anmeldename>\libs\mos_level1.lib”. Fügen Sie diese mit “Add to Design” hinzu. Im gleichen Fenster müssen Sie unter der Schaltfläche “Analysis” nun noch einstellen, welche Simulationsart Sie benutzen möchten. Wir werden hier einen “DC Sweep” durchführen. Es handelt sich hierbei, wie erwähnt, um eine spezielle Gleichstromanalyse, bei welcher eine Spannungs- oder eine Stromquelle oder bestimmte Parameter, wie z.B. die Temperatur, verändert werden könnnen. Hierfür muß Start- und Endwert (“Start Value”, “End Value”) sowie die Schrittweite (“Increment”) des zu verändernden Parameters unter “Primary Sweep” angegeben werden. PSpice macht dann eine Gleichstromanalyse für jeden Wert. Somit kann eine Kennlinie Id(Uds) eines MOS-Transistors als Labor Mikroelektronik Versuch 1: NMOS-Transistor Seite 4 / 9 Folge von vielen Gleichstromanalysen simuliert werden. Hierzu muß Uds als Parameter variiert werden, dies ist in unserem Fall die Spannung V1. Geben Sie hier als Schrittweite 0.01 an, nun wird der Spannungsbereich in 0.01 Volt Schritte aufgelöst (Start=0V, Ende=5V). Bei sehr kleiner Schrittweite bekommen Sie natürlich ein schöne, glatte Kurve, dafür benötigt PSpice allerdings auch mehr Rechenzeit. Bevor wir nun die eigentliche Simulation starten, wollen wir uns noch die Modellparameter für das MOS-Modell ansehen: *CMOS 0.6um process * n-MOS Model 1 : * Standard .MODEL TN NMOS LEVEL=1 VTO=0.80 U0=600 TOX=15.0E-9 +LD =0.010U THETA=0.200 GAMMA=0.700 +PHI=0.700 KAPPA=0.010 VMAX=130.00K +CGSO=100.0p CGDO=100.0p +CGBO= 60.0p CJSW=240.0p * * p-MOS Model 1: * Standard .MODEL TP PMOS LEVEL=1 VTO=-0.80 U0=200 TOX=15.0E-9 +LD =-0.050U THETA=0.200 GAMMA=0.450 +PHI=0.700 KAPPA=0.040 VMAX=100.00K +CGSO=100.0p CGDO=100.0p +CGBO= 60.0p CJSW=240.0p * Wir benutzen hier Modellparameter eines beispielhaften CMOS 0.6 μm Prozesses. Nach dem Modellnamen TN bzw. TP kommt der Bezeichner, ob es sich um einen NMOS- oder einen PMOSTransistor handelt. Die Bezeichnungen PMOS und NMOS weisen auf ein in PSpice “eingebautes” MOS-Modell hin, für welches dann die Parameter folgen. Danach kommt der Hinweis “LEVEL=1”. Dies weist auf “Genauigkeitsstufe” hin, mit welcher simuliert wird. Level 1 ist ein sehr einfaches Modell, welches im wesentlichen die Schwellspannung sowie die Stromgleichungen so beschreibt, wie Sie sie in der Vorlesung kennengelernt haben. Der Industrie-Standard heute ist das sogenannte BSIM3v3-Modell, welches mit LEVEL=7 ausgewählt werden kann, und eine sehr genaue Modellierung der physikalischen Zusammenhänge auf dem Chip bietet. Hierfür sind jedoch eine ganze Reihe zusätzlicher Parameter notwendig. Da man das Level 1-Modell jedoch sehr gut mit Handberechnungen vergleichen kann, werden wir uns auf dieses Modell beschränken. Ein guter Ingenieur überprüft auch immer gerne die Plausibilität des simulierten Verhaltens, daher sollen Sie dies ebenfalls tun. Hierzu müssen Sie wissen welche der obigen Modellparameter den Parametern der Gleichungen aus der Vorlesung entsprechen: - VTO: Schwellspannung (V), Vorlesung: Uth - U0: Beweglichkeit (cm2/V*s), Vorlesung: μ TOX: Gateoxiddicke (m), Vorlesung: tox Die weiteren Parameter sind für Ihre Handrechnungen im Moment nicht so wichtig. Für die relative Dielektrizitätskonstante des Siliziums sollten Sie εr = 3.9 annehmen. Labor Mikroelektronik Versuch 1: NMOS-Transistor Seite 5 / 9 5 Simulation mit PSpice Starten Sie nun den PSpice-Simulator, indem Sie in OrCAD die Schaltfläche “PSpice -> Run” auswählen. Nun startet das Fenster von PSpice auf. Im unteren Teil können Sie verfolgen, was PSpice gerade macht. Nach erfolgreicher Simulation sehen Sie ein leeres, schwarzes Fenster aufstarten. Dies ist das sogenannte “PROBE”-Fenster, in welchem Sie dann den Kurvenverlauf der Spannungen und Ströme darstellen können. Sehen Sie sich jedoch zunächst mit “View -> Output File” die textuelle Ausgabedatei der PSpiceSimulation an. Wenn Sie durch das Fenster scrollen, werden Sie im unteres Teil wieder auf die MOSParameter stoßen. PSpice berechnet aus den vorgegebenen Modellparametern (siehe oben) die für die Berechnung noch fehlenden Parameter. Ob Ihre Rechnung richtig war, können Sie nun überprüfen, indem Sie sich den Wert des Parameters “KP” ansehen. KP ist der sogenannte “Transkonduktanz-Parameter”. Es gilt: μ ⋅ ε r, ox ⋅ ε 0 KP = ----------------------------t ox Wechseln Sie nun wieder in das PROBE-Fenster. Mit “Trace -> Add Trace” können Sie sich nun den Strom oder die Spannung eines Knotens anzeigen lassen. Wir sind interessiert am Drainstrom unseres MOSFETs und wählen daher ID(M1) aus. Jetzt sollte Ihr PROBE-Fenster in etwa so wie in Abbildung 2 aussehen: Abbildung 2 : DC-Kennlinie des NMOS-FETs im Probe-Fenster Labor Mikroelektronik Versuch 1: NMOS-Transistor Seite 6 / 9 Um nun Werte “messen” zu können, benötigen wir noch einen Cursor: “Trace->Cursor->Display“. Klicken Sie nun mit der Maus in das PROBE-Fenster. Der Cursor bewegt sich nun auf der Kennlinie, welche den Wert des Stroms Ids in Abhängigkeit von der Drainspannung Uds angibt. Rechts unten werden Sie nun einen kleines Fenster namens “Probe Cursor” sehen. Hier können Sie die Werte des Cursors ablesen. Die erste Spalte gibt den Wert der x-Achse (Uds) und die zweite Spalte den Wert der y-Achse an (Ids). Beachten Sie bitte: Diese Kennlinie wurde für einen bestimmten Wert der Gatespannung Ugs simuliert (wie hoch ist dieser?). Wenn wir ein Kennlinienfeld simulieren möchten, d.h. mehrere Kennlinien für unterschiedliche Gatespannungen, müssen wir einen zweiten Parameter ebenfalls variieren. In unserem Fall ist dies dann die Gatespannung, d.h. die zweite Gleichspannungsquelle V2. Dies läßt sich nun in PSpice ganz einfach bewerkstelligen. Gehen Sie zurück zum OrCAD-Fenster und dort wieder in die “Simulation Settings” für PSpice. Klicken Sie dort nun den “Secondary Sweep” an. Tragen Sie als “Sweep variable” die Quelle V2 ein.Wählen Sie als Start- und Endwert 1 bzw. 5 Volt. Wählen Sie als Schrittweite 1V und schließen Sie mit OK das Fenster. Starten Sie nun mit “Run” im OrCAD-Fenster wieder den Simulator. Hinweis: Sie müssen für eine neue Simulation das PSpiceFenster nicht vorher schließen. Wählen Sie im PROBE-Fenster nach vollendeter Simulation wieder den Drainstrom aus. Sie sollten nun folgendes Fenster sehen: Abbildung 3 : Kennlinienfeld im Probe-Fenster Durch Aktivieren des Cursors und Klicken auf eine Kennlinie können Sie dann wieder “messen”. Mit “View->Zoom” können Sie auch Bereiche des Fensters vergrößern. Labor Mikroelektronik Versuch 1: NMOS-Transistor Seite 7 / 9 6 Erwartete Meßergebnisse Die Dimensionierung des MOSFETs ist W=1μm und L=1μm, wie in Abbildung 1 gezeigt. Messen Sie anhand des Kennlinienfeldes den Drainstrom für verschiedene Werte von Uds und Ugs, wie in der Tabelle im nachfolgenden Lösungsblatt angegeben, und vergleichen Sie die Werte jeweils mit Ihrer Handrechnung. Benutzen Sie hierzu das letzte Blatt dieser Anleitung, tragen Sie Ihren Namen und die Werte (mit Bleistift) ein. Drucken Sie bitte das Probe-Fenster mit dem Kennlinienfeld aus und markieren Sie dort farbig Ihre Messpunkte. Markieren Sie bei jeder Kennlinie aus dem Feld den Punkt an welchem der Transistor in Sättigung geht. Verbinden Sie die Punkte zu einer Kurve und schreiben Sie nun in das Kennlinienfeld, welches der lineare oder Triodenbereich und welches der Sättigungsbereich des Kennlinienfeldes ist. Wiederholen Sie die Simulation und die Messung für eine Dimensionierung W=6.5μm und L=1μm und tragen Sie die Werte in die Tabelle ein. Geben Sie das Lösungsblatt zusammen mit den Probe-Ausdrucken bei dem Laborbetreuer ab. Wenn Ihre Ergebnisse richtig sind, haben Sie den ersten Versuch bestanden. Wenn nicht, überlegen Sie bitte, wo Ihr Fehler liegt und wiederholen Sie die Berechnungen oder die Simulation. Viel Erfolg! Labor Mikroelektronik Versuch 1: NMOS-Transistor Seite 8 / 9 Labor Mikroelektronik Versuch 1 Lösungsblatt Name: Tabelle 1: Ergebnisse von Messung und Rechnung für W=1μm Ugs Uds 5V 4,5V 4V 4,5V 3V 4,5V 2V 4,5V 1V 4,5V 5V 1V 4V 1V 3V 1V 2V 1V 1V 1V und L=1μm Messung Tabelle 2: Ergebnisse von Messung und Rechnung für W=6.5μm Ugs Uds 5V 4,5V 4V 4,5V 3V 4,5V 2V 4,5V 1V 4,5V 5V 1V 4V 1V 3V 1V 2V 1V 1V 1V Labor Mikroelektronik Messung Versuch 1: NMOS-Transistor Rechnung und L=1μm Rechnung Seite 9 / 9
