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SIMULACIÓN Y MODELADO DE LA INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN UN TRANSISTOR N-MOS EN

ESTÁTICA

Universidad de Las Palmas de Gran CanariaEscuela Universitaria de Ingenieros Técnicos de Telecomunicación

Tutor : Dr. D. Benito González PérezAutor : D. José Luis Riverol Gómez

José Luis Riverol GómezSimulación y modelado de la influencia de la temperatura en un transistorNMOS en estática

ÍNDICE

Objetivos del ProyectoIntroducción a los dispositivos MOSEl simulador: MINIMOS-NTSimulación del dispositivo N-MOSAurora: Extracción de parámetrosModelo: circuitos de validación Conclusiones Finales


Objetivos del Proyecto

Simular a distintas temperaturas un transistor NMOS de canal corto, conocidas sus curvas características a temperatura ambiente

Modelar en SPICE el funcionamiento en estática del transistor, a temperaturas medias/altas


ÍNDICE

Objetivos del proyectoIntroducción a los dispositivos MOS

Estructura idealRegiones de funcionamientoModelo del control de cargaMOSFET: teoría de la ley cuadrática

El simulador: MINIMOS-NTSimulación del Dispositivo N-MOSAURORA: Extracción a de parámetrosModelo: circuitos de validación Conclusiones Finales


Introducción a los dispositivos MOS

Estructura idealEstructura ideal

1.- Puerta metálica equipotencial

2.- Óxido: aislador perfecto sin centros de carga

3.- Semiconductor con suficiente grosor y

uniformemente dopado

4.- Contacto óhmico ideal

5.- Estructura unidimensional

6.- Φ=Χ+(EC- EF)



Regiones de funcionamientoRegiones de funcionamiento

Acumulación: VG > 0

Vaciamiento: VG < 0

T Inversión: VG < VT



Modelo del control de cargaModelo del control de carga

ss

Aóxido

óxido

torsemiconducsG k

Nqxk

kV φε

φ ⋅⋅⋅⋅

⋅⋅+=0

2

Fs φφ ⋅≤≤ 20

φs: potencial superficial

xóxido: espesor del óxido

φF: voltaje de referencia asociado a las

impurezas del semiconductor



MOSFET: teorMOSFET: teoríía de la ley cuadra de la ley cuadrááticatica

Sección de un MOSFET de canal n



(a) VD = 0

(b) VD < VD,sat

(c) VD = VD,sat → estrangulamiento

del canal

(d) VD> VD,sat → ID = cte

VG > VT



Fs

AsFT k

Nqk

xkV φε

φ ⋅⋅⋅⋅

⋅⋅

+⋅=00

0 42

( )Fs

DsFT k

Nqk

xkV φε

φ −⋅⋅⋅⋅

⋅⋅

−⋅=00

0 42

MOSFET tipo n

MOSFET tipo p

Curvas características ID-VD

Tensión umbral



dydnqnqJ nnNφµεµ ⋅⋅⋅−=⋅⋅⋅≅

( ) [ ]LyVVCyQ TGoxN ,0;)( ∈−−⋅−= φ

Densidad de corriente →

Aproximaciones de la teoría de la ley cuadrática:

Carga a lo largo del canal →



TGD VVI <= ;0

( ) ( ) DsatDTGDSDS

DSTGD VVVVVVVVVL

zKI <≤≥⋅+⋅⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−⋅−⋅

⋅= 0;;1

2

2

λ

( ) ( ) DsatDTGDSTGD VVVVVVVLzKI >≥⋅+⋅−⋅⋅= ;;1

22 λ

Modulación de la longitud del canal ⇒

Modelo

; corte

; lineal

; saturación


ÍNDICE

Objetivos del proyectoIntroducción a los dispositivos MOSEl simulador: MINIMOS NT

EstructuraEcuaciones diferenciales básicasPrincipales magnitudes físicas

Simulación del dispositivo NMOSAURORA: Extracción a de parámetrosModelo: circuitos de validación Conclusiones finales


El simulador: MINIMOS-NT

EstructuraEstructura

MINIMOS-NT es una herramienta flexible para la simulación de dispositivos

Posee gran capacidad para analizar estructuras complejas

El sistema de ecuaciones no lineal se resuelve mediante el método de Newton-Rapson



Ecuaciones diferenciales bEcuaciones diferenciales báásicassicas

RqJ n ⋅=⋅∇

Ecuación de Poisson

Ecuación de continuidad para los electrones

Ecuación de continuidad para los huecos

( )AD NpNnqV +−−⋅=⋅∇⋅ +2ε

RqJ p ⋅=⋅∇

Ecuación del flujo del calor( ) HTkL −=⋅∇⋅=∇



donde:

Densidad de corriente de electrones

Densidad de corriente de huecos

Calor generado por

el efecto Joule

nnnqTkV

qEqJ C

nn ⋅⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⋅∇

⋅⋅

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅∇⋅= µ

pppqTkV

qEqJ C

pp ⋅⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⋅∇

⋅⋅

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅∇⋅= µ

pV

nC JV

qEJV

qEH ⋅⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅∇+⋅⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅∇=



Principales magnitudes fPrincipales magnitudes fíísicassicasMovilidadMovilidad

E E ↓↓ E E ↑↑0

300300,

γ

νν µµ ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⋅=

TLL

νν ββ

ν

νν

νν

µ

µµ 1

211⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ⋅⋅++

=

Sat

LISF

LISFL

vF

νν ≡≡ electrones, huecoselectrones, huecos



EnergEnergíía de la banda prohibida:a de la banda prohibida:

Masa efectiva de los portadores:Masa efectiva de los portadores:

Densidad equivalente de estados:Densidad equivalente de estados:

2

2

0, TTEE gg −⋅

−=βα

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⋅+=

300,1,0Tmmm nnn

23

0 300 ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⋅⋅⋅=

TmNMN nCC

23

0 300 ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⋅⋅=

TmNN pV

Banda de conducción Banda de valencia

2

,2,1,0 300300⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⋅+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛⋅+=

TmTmmm pppp


ÍNDICE

Objetivos del proyectoIntroducción a los dispositivos MOSEl simulador: MINIMOS-NTSimulación del dispositivo NMOS

El transistor Simulación: ficheros y ajusteResultados: curvas I-V a distintas temperaturas

AURORA: extracción de parámetrosModelo: circuitos de validación Conclusiones Finales


Simulación del Dispositivo N-MOS

El TransistorEl Transistor

MOSFET tipo n con tecnología 0.8 µm, desarrollado por AMS

Curvas I-V para T>300 K simuladas con MINIMOS-NT

Geometría, dopajes y curvas I-V a 300 K proporcionados por AMS



SimulaciSimulacióón: ficheros yn: ficheros y ajusteajusteFichero “mos.pif”:1.- Definición de la geometría: puntos, líneas, regiones y segmentos



2.- Definición del mallado de simulación

mayor variacimayor variacióón de las magnitudes n de las magnitudes elelééctricas: mctricas: mááximo refinamientoximo refinamiento



3.- Especificación de los diferentes materiales, dopajes, etc.

Contactos metálicos ideales

Puerta de polisilicio

El resto de las regiones son de silicio, con los dopajes apropiados



Ajuste:Ajuste:

Geometría, dopajes y movilidad (dentro del 10 % del valor nominal)

para generar las curvas experimentales a 300 K

ND, contactos= 5·1018 cm-3, a 0.03 µm del canal

(ajuste de la pendiente de la característica de entrada)

µn≈1280 cm2/Vs

ND,sustrato= 83.6·1015 cm-3



Característica de entrada simulada

y experimental, a 300 K, con y sin

la ecuación del calor

Característica de salida simulada

y experimental, a 300 K, con la

ecuación del calor



Efecto del autocalentamiento:Efecto del autocalentamiento:

Máxima temperatura en el canal, por el lado del drenador (máxima velocidad de los electrones)

A medida que nos alejamos del canal la temperatura tiende al valor ambiental



Fichero “mos.ipd”:// $Id: mos.ipd,v 1.71998/12/2113:57:14 rotting Exp $ // $Id: mos.ipd,v 1.71998/12/2113:57:14 rotting Exp $

#include <defaults.ipd> #include <defaults.ipd>

Device : Device : DeviceDefaultsDeviceDefaults

Input file = "mos"; Input file = "mos";

+Fuente = 0.0 V; +Fuente = 0.0 V;

+Drenaje = +Drenaje = step(Ostep(O V, 5, 0.1, V, 5, 0.1, pripri=3); =3);

+Compuerta = +Compuerta = stepstep((--l V, 5, 0.15, l V, 5, 0.15, pripri=2); =2);

++PlacaPlaca = 0.0 V; = 0.0 V;

T=Step(300 K,450 K, 15,pri=1); T=Step(300 K,450 K, 15,pri=1);

Phys Phys shsh="*"; ="*";

++CompuertaCompuerta Contact Contact OhmicOhmic EwEw = = --0.55 0.55 eVeV; ;

++PlacaPlaca Contact Contact OhmicOhmic type = "Voltage,Thermal"; type = "Voltage,Thermal";

++SubstratoSubstrato Electron Electron mobilityDDmobilityDD = "MM6";= "MM6";

MobilityDDMobilityDD MM6 uL300 = 1280 "cm^2/V*s" ; MM6 uL300 = 1280 "cm^2/V*s" ;

Iterate Scheme : Iterate Scheme : SchemeDefaults.DDSchemeDefaults.DD; ;

Curve Curve

file = "450.dat"; file = "450.dat";

Response +Id = output("Device", "I", "Response +Id = output("Device", "I", "DrenajeDrenaje");");

rangos de tensiones y temperaturas

Propiedades no consideradas en el mos.pif

fichero de entrada

fichero de salida

Modelo de arrastre y difusión



Resultados: Curvas IResultados: Curvas I--V a distintas temperaturasV a distintas temperaturas

Característica de entrada en saturación a 300, 375 y 450 K

Característica de salida a 300, 375 y 450 K con Vg= 4.1 V


ÍNDICE

Objetivos del proyectoIntroducción a los dispositivos MOSEl simulador: MINIMOS-NTSimulación del dispositivo N-MOSAURORA: extracción de parámetros

Aspectos generalesModelos SPICE, principales parámetrosExtracción de parámetros con AURORAResultados a distintas temperaturas

Modelo: circuitos de validación Conclusiones Finales


AURORA: Extracción de parámetros

Aspectos generales

Programa de optimización general orientado a la extracción de parámetros y desarrollo de modelos

Datos a introducir: corrientes y voltajes del transistor

Con los parámetros extraídos, representa los datos de entrada junto

a los del modelo utilizado

Incorpora los principales modelos SPICE del MOSFET. La precisión de la extracción depende del modelo



Modelos SPICEModelos SPICE

MOS LEVEL 1: : es el más simple, incluye pocos de los efectos físicos del transistor.

MOS LEVEL 2: incluye muchos de los efectos físicos que presenta un

transistor MOS; sus ecuaciones son complejas

MOS LEVEL 3: similar al LEVEL 2, pero semiempírico (incluyendo parámetros sin significado físico que sirven para ajustar las curvas características)



JustificaciJustificacióón del modelo utilizadon del modelo utilizado

LEVEL 3 de SPICE: menores errores relativos LEVEL 3 de SPICE: menores errores relativos

lineal saturación lineal

LEVEL 2 LEVEL 3

Transición

Transición

saturación



Principales parPrincipales paráámetros del modelo LEVEL 3 de SPICEmetros del modelo LEVEL 3 de SPICE

UO (cm2/Vs): movilidad a 300 K

THETA (1/V): modula la movilidad con VG

DELTA: modula la carga bajo la puerta

VMAX (m/s): velocidad de saturación

ETA: ajusta la tensión umbral con VDS

VTO (V): tensión umbral

KAPPA (F/m2): modula la longitud delcanal en saturación

RS, RD (Ω): resistencias de fuente y drenador



PrincipalesPrincipales ecuaciones del modelo LEVEL 3 de SPICEecuaciones del modelo LEVEL 3 de SPICE

Corriente Corriente

de drenadorde drenador( )2Tgsds VVI −⋅=β

Región de

saturacióneffoxC

LW µβ ⋅⋅=

Región linealdsds

Bthgsds VVFVVI ⋅⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ ⋅

+−−⋅=

21β

Nbs

SB F

VPHIFGAMMAF +

−⋅⋅

=4 efectos de canal

corto



( )SBNsbSdsFB VPHIFVPHIFGAMMAVPHIVVTO +⋅++⋅⋅+⋅−+= σ

Tensión umbral

Movilidad

3LCETA

ox ⋅Ω

⋅=σ

efectos de canal corto

dss

seff

VLVMAX⋅

⋅+

= µµ

µ1

realimentación estática

⎟⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

−⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

+−⋅

+⋅−=

XJLD

XJW

XJW

XJWLD

LXJF

p

p

cS

2

111

( )VTOVTHETAUO

gs −⋅+1

Movilidad efectiva con VD≈ 0



( )22

22

2pd

satddsddp EX

VVXKAPPAXE

L⋅

−−⋅⋅+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ⋅=∆

( ) 23

300

−

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⋅=

TUOTUO

( ) ( ) ( )TETTTE

TTV

TTPHITPHI g

nomnomg

nomt

nom

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅⋅−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅⋅−⋅= ln3

ModulaciModulacióón de la n de la longitud del canallongitud del canal

Efectos de la Efectos de la temperaturatemperatura

satd

satdp GL

IE

⋅=

Campo eléctrico en el punto de estrangulamiento

movilidad con T

Potencial de inversión con T



ExtracciExtraccióón de parn de paráámetros con AURORAmetros con AURORA

Fases

11aa : : VT0, UO y THETA

22aa :: RS y RD

33aa : : DELTA

44a a :: VMAX, KAPPA y ETA

Ficheros de entrada

- “ .par”

- “ .lin”

- “ .sat”

- “ .inp”

Fichero de salida - “ .out”



Ficheros de entrada y salida de AURORAFicheros de entrada y salida de AURORA

aurora$ Parameter initialization for MOS/SPICE modelaurora$ Parameter initialization for MOS/SPICE model

type 1.0 type 1.0 uouo 1280 100 15001280 100 1500

LEVEL 3 LEVEL 3 vmaxvmax 1.0e5 1.0e4 1.0e61.0e5 1.0e4 1.0e6

vtovto 0.6 0.0 1.0 0.6 0.0 1.0 neffneff

kpkp delta 1.0 0.0 5.0delta 1.0 0.0 5.0

gamma gamma theta 2.0etheta 2.0e--2 0.0 5.0e2 0.0 5.0e--11

phiphi etaeta 0.0 0.0 3.00.0 0.0 3.0

toxtox 1.6e1.6e--88 kappa 0.0 0.0 10.0kappa 0.0 0.0 10.0

nsubnsub 83.6e1583.6e15 dwdw 0.0e0.0e--6 6 --1.0e1.0e--6 1.0e6 1.0e--6 6

nfsnfs rdrd 0.00.0

tpgtpg rsrs 0.0 0.0 1.0e+20.0 0.0 1.0e+2

xjxj 0.0 0.0 tnomtnom 27.027.0

ldld 0.00.0 usubusub 0.0 0.0 5.0 0.0 0.0 5.0

Fichero de inicialización de variables: “lev3.par”


AURORA: Extracción de parámetrosFicheros de entrada y salida de Ficheros de entrada y salida de AURORAAURORA

$ Gate characteristics: Temp = 300 $ Gate characteristics: Temp = 300

VARIABLE VGS START=VARIABLE VGS START=--1.00 END=5.00 INCR=0.151.00 END=5.00 INCR=0.15

TABLE <VGS> IDTABLE <VGS> ID

VARIABLE W = 20EVARIABLE W = 20E--66

VARIABLE L = 0.8EVARIABLE L = 0.8E--66

VARIABLE VDS = 0.10VARIABLE VDS = 0.10

VARIABLE VBS = 0.0VARIABLE VBS = 0.0

VARIABLE T = 300 KVARIABLE T = 300 K

--1.7793429e1.7793429e--16 2.7772727e16 2.7772727e--07 0.00030448453 0.00057085976 0.00077228497 07 0.00030448453 0.00057085976 0.00077228497

8.9895259e8.9895259e--16 6.6285577e16 6.6285577e--06 0.00033472428 0.00059346444 06 0.00033472428 0.00059346444

--2.4153107e2.4153107e--15 3.25624e15 3.25624e--05 0.00036413182 0.00061560646 05 0.00036413182 0.00061560646

--5.0669971e5.0669971e--17 6.7565893e17 6.7565893e--05 0.00039271401 0.00063707034 05 0.00039271401 0.00063707034

2.0877264e2.0877264e--16 0.00010366174 0.00042040466 0.00065783893 16 0.00010366174 0.00042040466 0.00065783893

4.0559855e4.0559855e--15 0.00013933815 0.00044730632 0.0006781407115 0.00013933815 0.00044730632 0.00067814071

1.0776654e1.0776654e--13 0.00017422043 0.00047361668 0.0006979186213 0.00017422043 0.00047361668 0.00069791862

3.5731437e3.5731437e--12 0.00020821422 0.00049882355 0.0007171722712 0.00020821422 0.00049882355 0.00071717227

1.4171509e1.4171509e--10 0.00024121919 0.00052359759 0.0007359739610 0.00024121919 0.00052359759 0.00073597396

6.2197144e6.2197144e--09 0.00027330665 0.00054748319 0.000754323309 0.00027330665 0.00054748319 0.0007543233

Fichero de entrada de datos “.lin” y “.sat”


AURORA: Extracción de parámetrosFicheros de entrada y salida de AURORAFicheros de entrada y salida de AURORA

*** Optimization successful:*** Optimization successful:

Smooth minimum found.Smooth minimum found.

20 function evaluations in 3 iterations.20 function evaluations in 3 iterations.

Condition number of solution: 1.16E+02Condition number of solution: 1.16E+02

parameter init value final value % change % parameter init value final value % change % senssens signifsignif

vtovto 6.0000E6.0000E--01 6.1062E01 6.1062E--01 1.77 0.08 1.5701 1.77 0.08 1.57

uouo 1.2800E+03 5.1340E+02 1.2800E+03 5.1340E+02 --59.89 0.09 3.5859.89 0.09 3.58

theta 2.0000Etheta 2.0000E--02 1.0786E02 1.0786E--01 439.31 0.43 3.1501 439.31 0.43 3.15

RMS error = 0.86 %RMS error = 0.86 %

Parte del fichero de salida de AURORA: “.out”


AURORA: Extracción de parámetrosExtracciExtraccióón de VTO, UO y THETAn de VTO, UO y THETA

TITLE Ajuste de VTO, U0 y THETA a 300 KTITLE Ajuste de VTO, U0 y THETA a 300 K

COMMENT Seleccionamos modeloCOMMENT Seleccionamos modelo

MODEL NAME=MOS/SPICE INIT=lev3.parMODEL NAME=MOS/SPICE INIT=lev3.par

COMMENT Extraemos VTO, UO y THETA COMMENT Extraemos VTO, UO y THETA

DATA FILE=300.DATA FILE=300.linlin

COMMENT Seleccionamos la longitud y la anchura del COMMENT Seleccionamos la longitud y la anchura del dispositivodispositivo

ASSIGN NAME=LONG N.VALUE=0.8EASSIGN NAME=LONG N.VALUE=0.8E--66

ASSIGN NAME=WIDE N.VALUE=20EASSIGN NAME=WIDE N.VALUE=20E--66

SELECT ALLSELECT ALL

SELECT W=@WIDE L=@LONGSELECT W=@WIDE L=@LONG

SELECT VDS=0.1SELECT VDS=0.1

SELECT VBS=0.0SELECT VBS=0.0

INCLUDE ID MIN=1.0EINCLUDE ID MIN=1.0E--6*@WIDE/@LONG 6*@WIDE/@LONG

FIX ALLFIX ALL

EXTRACT VTO UO THETA EXTRACT VTO UO THETA

OPTIMIZEOPTIMIZE

PLOT ID VARIABLE=VG COLOR=2 SYMBOL=2PLOT ID VARIABLE=VG COLOR=2 SYMBOL=2

LABEL LABEL=" " LABEL LABEL=" "

LABEL LABEL=" W/L=""20""/""0.8"LABEL LABEL=" W/L=""20""/""0.8"

LABEL LABEL=" VBS=0"LABEL LABEL=" VBS=0"


LABEL LABEL=" LABEL LABEL=" oooooooooo MINIMOSMINIMOS--NT"NT"

LABEL LABEL=" LABEL LABEL=" ---------- AURORA"AURORA"

*** Optimization successful:Smooth minimum found.

20 function evaluations in 3 iterations.Condition number of solution: 1.17E+02

parameter init value final value % change % sens signifvto 6.0000E-01 6.1357E-01 2.26 0.08 1.57uo 1.2800E+03 5.0047E+02 -60.90 0.09 3.57theta 2.0000E-02 1.0514E-01 425.72 0.43 3.13

RMS error = 0.86 %


AURORA: Extracción de parámetrosExtracciExtraccióón de RS y RDn de RS y RD

TITLE Ajuste de RS a 300 KTITLE Ajuste de RS a 300 K



COMMENT extraemos RSCOMMENT extraemos RS


COMMENT Seleccionamos la longitud y la anchura del dispositivoCOMMENT Seleccionamos la longitud y la anchura del dispositivo



FIX VTO =6.1357EFIX VTO =6.1357E--01 UO =5.1357E+02 THETA =1.0514E01 UO =5.1357E+02 THETA =1.0514E--0101

SELECT VD=0.1SELECT VD=0.1

SELECT VB =0.0SELECT VB =0.0

SELECT VGS START=0.95 END=5 INCREMEN=0.15 SELECT VGS START=0.95 END=5 INCREMEN=0.15

INCLUDE ID INCLUDE ID

EXTRACT RS EXTRACT RS

OPTIMIZEOPTIMIZE



LABEL LABEL=" W/L=""20""/""0.8"LABEL LABEL=" W/L=""20""/""0.8"

LABEL LABEL=" VBS=0"LABEL LABEL=" VBS=0"




*** Optimization successful:Smooth minimum found.5 function evaluations in 2 iterations.

Condition number of solution: 1.00E+00

parameter init value final value % change % sens signifrs 0.0000E+00 1.6422E-02 > 999.00 987.19 1.00

RMS error = 0.82 %


AURORA: Extracción de parámetrosExtracciExtraccióón de DELTAn de DELTA

TITLE Ajuste de DELTA a 300 KTITLE Ajuste de DELTA a 300 K



COMMENT Extraemos DELTA COMMENT Extraemos DELTA


COMMENT Seleccionamos la longitud y la anchura del COMMENT Seleccionamos la longitud y la anchura del dispositivo dispositivo


ASSIGN NAME=WIDE N.VALUE=20EASSIGN NAME=WIDE N.VALUE=20E--6 6

FIX VTO=6.1357EFIX VTO=6.1357E--01 UO=5.0047E+02 RS=8.211E01 UO=5.0047E+02 RS=8.211E--03 RD=8.211E03 RD=8.211E--0303


SELECT VDS=0.1SELECT VDS=0.1


SELECT VGS START=0.95 END=5 INCREMEN=0.15SELECT VGS START=0.95 END=5 INCREMEN=0.15

INCLUDE IDINCLUDE ID

EXTRACT DELTA THETA EXTRACT DELTA THETA

OPTIMIZEOPTIMIZE


LABEL LABEL=" W/L=""20""/""0.8" ;LABEL LABEL=" W/L=""20""/""0.8" ; LABEL LABEL=" VBS=0"LABEL LABEL=" VBS=0"





parameter init value final value % change % sens signifdelta 1.0000E+00 2.5821E+00 158.01 7.98 1.07theta 2.0000E-02 1.0688E-01 434.38 0.33 1.07

RMS error = 0.67 %


AURORA: Extracción de parámetrosExtracciExtraccióón de VMAX, KAPPA y ETAn de VMAX, KAPPA y ETA

TITLE Ajuste de VMAX, KAPPA y ETA a 300 KTITLE Ajuste de VMAX, KAPPA y ETA a 300 K



COMMENT Extraemos VMAX, KAPPA y ETA COMMENT Extraemos VMAX, KAPPA y ETA

DATA FILE=300.sat DATA FILE=300.sat

COMMENT Seleccionamos la longitud y la anchura del dispositivo COMMENT Seleccionamos la longitud y la anchura del dispositivo



FIX VTO=6.1357EFIX VTO=6.1357E--01 UO=5.0047E+02 RS=8.211E01 UO=5.0047E+02 RS=8.211E--03 RD=8.211E03 RD=8.211E--0303

FIX DELTA=2.5821 THETA= 1.0514EFIX DELTA=2.5821 THETA= 1.0514E--0101


SELECT W=@WIDE L=@LONGSELECT W=@WIDE L=@LONG


SELECT VDS START=0.0 END=5.0 INCREMEN=0.1 SELECT VDS START=0.0 END=5.0 INCREMEN=0.1

SELECT VGS VALUE=(1.4, 2, 3.05, 4.1, 5 ) SELECT VGS VALUE=(1.4, 2, 3.05, 4.1, 5 )

INCLUDE ID MIN=1.0EINCLUDE ID MIN=1.0E--6*@WIDE/@LONG6*@WIDE/@LONG

EXTRACT VMAX KAPPA ETA EXTRACT VMAX KAPPA ETA

OPTIMIZEOPTIMIZE

PLOT ID TOP=1.2EPLOT ID TOP=1.2E--2 VARIABLE=VD COLOR=2 SYMBOL=22 VARIABLE=VD COLOR=2 SYMBOL=2

LABEL LABEL LABELLABEL=" W/L=""20""/""0.8"=" W/L=""20""/""0.8"

LABEL LABEL LABELLABEL=" VBS=0" =" VBS=0"

LABEL LABEL LABELLABEL=" VGS=1.4, 2, 3.05, 4.1, 5 (V)" =" VGS=1.4, 2, 3.05, 4.1, 5 (V)"

LABEL LABEL LABELLABEL=" " =" "

LABEL LABEL LABELLABEL=" =" oooooooooo MINIMOSMINIMOS--NT"NT"

LABEL LABEL LABELLABEL=" =" ---------- AURORA"AURORA"



parameter init value final value % change % sens signifvmax 1.0000E+05 1.66488E+05 58.77 1.56 1.47eta 0.0000E+00 4.51951E-02 > 999.00 4.77 1.97kappa 0.0000E+00 2.3629E-01 > 999.00 11.03 2.41

RMS error = 4.22 %


AURORA: Extracción de parámetrosResultados de la extracciResultados de la extraccióón a distintas temperaturasn a distintas temperaturas

10.8e-37.78e-38.21e-3RD (Ω)

10.8e-37.78e-38.21e-3RS (Ω)

3.3258e-13.0191e-12.3629e-1KAPPA

4.572e-24.314e-24.519e-2ETA

1.46796e+51.52988e+51.66488e+5VMAX (m/ s)

2.75042.24032.5821DELTA

5.7297e-27.9675e-21.10514e-1THETA (1/V)

537.76534.31520.47UO (cm2/V s)

5.8505e-16.09245e-16.13575e-1VTO (V)

450 K375 K300 KParámetros



Resultados de la extracciResultados de la extraccióón a distintas temperaturasn a distintas temperaturas

VTO, UO y THETA RS y RD DELTA



Resultados de la extracciResultados de la extraccióón a distintas temperaturasn a distintas temperaturas

375 K 450 K300 K

VMAX, KAPPA y ETA


ÍNDICE

Objetivos del proyectoIntroducción a Los Dispositivos MOSEl simulador: MINIMOS-NTSimulación del Dispositivo N-MOSAURORA: extracción de parámetrosModelo: circuitos de validación

Criterios para la implementación del modelo en SPICEConfiguración en fuente comúnInversor NMOS

Conclusiones Finales


Modelo: circuitos de validaciónCriterios para la implementaciCriterios para la implementacióón del dispositivo en SPICEn del dispositivo en SPICE

Modos de

implementación

- El código del programa

- Un modelo para cada temperatura

- Promedio de los parámetros extraídos

3.17623e-14.25e-21.54748e+52.52539.11e-37.86e-2526.660.60133Promedio

KAPPAETAVMAX (m/ s)DELTARS = RD (Ω)THETA (1/v)UO (cm2/V s)VTO (v)Parámetros

- Con los parámetros promedio del modelo LEVEL 3

510,47510,47 8.4e8.4e--22


Modelo: circuitos de validación

ConfiguraciConfiguracióón en fuente comn en fuente comúúnn

Punto Q

QDSQD VRdIVcc +⋅=

211RR

RVccVGSQ +⋅=

( )28.0

12 TGSQQD VVKPI −⋅⋅=Rg C1

R1

R2

Rd

Vcc

C2

RlVin

NMOS_AMSG

D

S

Anchura del MOSFET: 1 µm

T (K) VGSQ (V) VDSQ (V) IDQ (A)

300 K 2.43 4.87 225.80⋅10-6

375 K 3.43 4.91 240.43 ⋅ 10-6

450 K 2.43 4.93 242.53 ⋅ 10-6



En pequeña señal:

Vigm•∆Vgs

VoG

S

DRg = 100 KΩ

R1//R2 = 100 KΩ

Rd//Rl = 514 Ω

+

-

∆Vgs

( ) 6.426//0 ⋅−=⋅∆⋅−= iTgsT VgmRlRdVgmV

iGS VRRRg

RRViV ⋅=+

⋅=∆ 83.02//1

2//1

oxTT CUOL

gm ⋅⋅−=1

51483.00 ⋅⋅−== TV gmViVA

Ganancia (1 µm)

Temperatura

-33.53e-3-43.94e-3-57.38e-3

450 K375 K300 K



ConfiguraciConfiguracióón en fuente comn en fuente comúún: resultadosn: resultados

VGSQ (V) 300 K 375 K 450 K

Teórico 2.43 3.43 2.43

SPICE 2.56 2.56 2.56

Error relativo 5 % 5 % 5 %

VDSQ (V) 300 K 375 K 450 K

Teórico 4.87 4.91 4.93

SPICE 4.91 4.93 4.94

Error relativo 0.8 % 0.4 % 0.2 %



Señal de salida, a distintas temperaturas, con SPICE y MINIMOS-NT

Temperatura 300 K 375 K 450 K

Amplitud conMINIMOS-NT 5.65 V 4.25 V 3.8 V

Amplitud conSPICE 5.48 V 4.36 V 3.66 V

Error relativo 3 % 2.5 % 3.6 %


Modelo: circuitos de validaciónInversor NMOSInversor NMOS

Curva de transferencia

Vo

Vi

Vcc

NMOS_AMS

Rd

GD

S

B

A

Reg

ión

deco

rte

Región de saturación

Región lineal

Vi

C

5 V

5 V0

Vo

Corte

Saturación

Lineal

Ti VV < VccVo =

Ti VVV −>0

( ) 2

20 VccRdVV

LwKPV Ti

T +−⋅⋅−=

Ti VVV −<0 ( ) VccRdVVVVLwKPV TiT +⋅⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡−⋅−⋅⋅−=

2

20

00



Curva de transferencia a 300 K

A

C

B




A

C

B



Error relativo en el punto A


SPICE(V, V) (0.606 , 5) (0.610 , 5) (0.540 , 5)

MINIMOS-NT(V, V) (0.605 , 5) (0.630 , 5) (0.560 , 5)




Error relativo en el punto B


SPICE(V, V) (3.84 , 2.12) (4.1 , 2.26) (3.6 , 3.10)

MINIMOS-NT(V, V) (3.84 , 2.12) (4.1 , 2.25) (3.6 , 2.96)

Error relativo 0 % 0.4 % 4.5 %



Error relativo en el punto C


SPICE(V, V) (5 , 1.49) (5 , 1.90) (5 , 2.0)

MINIMOS-NT(V, V) (5, 1.59) (5 , 1.85) (5 , 1.87)



ÍNDICE

Objetivos del proyectoIntroducción a Los Dispositivos MOSEl simulador: MINIMOS-NTSimulación del Dispositivo N-MOSAURORA: extracción de parámetrosModelo: circuitos de validación Conclusiones Finales

Líneas futuras


Conclusiones finales

A partir del conocimiento de la influencia de la temperatura en el dispositivo, hemos generado un modelo en SPICE, con errores inferiores al 10 %, para la simulación de circuitos eléctricos a distintas temperaturas.

Este proyecto sirve de guía para la extracción de parámetros eléctricos en MOSFET´s, mediante el programa de optimización de AURORA, y para su modelado

Hemos establecido un procedimiento mediante simulación numérica, para generar el funcionamiento de un transistor MOS en estática, a distintas temperaturas, conocidas sus curvas características experimentales a temperatura ambiente


Conclusiones finales

Líneas abiertas

- Introducción del modelo en el código fuente de SPICE

- Estudio del MOSFET en dinámica

- Uso y optimización del MOSFET como varactor

- Estudio del autocalentamiento

simulaciÓn y modelado de la influencia de la …simulaciÓn y modelado de la influencia de la...

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