MOS电容仿真方法

MOS 结构高频C-V 特性测试MOS 结构电容-电压特性（简称C-V 特性）测量是检测MOS 器件制造工艺的重要手段。

它可以方便地确定二氧化硅层厚度ox d 、衬底掺杂浓度N 、氧化层中可动电荷面密度I Q 、和固定电荷面密度fc Q 等参数。

本实验目的是通过测量MOS 结构高频C-V 特性及偏压温度处理（简称BT 处理），确定ox d 、N 、I Q 和fc Q 等参数。

一、 实验原理MOS 结构如图1（a ）所示，它类似于金属和介质形成的平板电容器。

但是，由于半导体中的电荷密度比金属中的小得多，所以充电电荷在半导体表面形成的空间电荷区有一定的厚度（—微米量级），而不像金属中那样，只集中在一薄层（—0.1nm ）内。

半导体表面空间电荷区的厚度随偏压G V 而改变,所以MOS 电容是微分电容 GG dV dQ A C = （1） 式中G Q 是金属电极上的电荷面密度,A 是电极面积。

现在考虑理想MOS 结构。

所谓理想情形，是假设MOS 结构满足以下条件：（1）金属与半导体间功函数差为零；（2）2O S i 绝缘层内没有电荷；（3）2O S i 与半导体界面处不存在界面态。

偏压V G 一部分在降在2O S i 上，记作ox V ；一部分降在半导体表面空间电荷区，记作S V ,即S OX G V V V += （2）S V 又叫表面势。

考虑到半导体表面空间电荷区电荷和金属电极上的电荷数量相等、符号相反，有G SC Q Q = （3）式中SC Q 是半导体表面空间电荷区电荷面密度。

将式（2）、（3）代入式（1），S ox S ox Sox S ox G G G C C C C C C dV dV dQ A dV dQ A C +=+=+==111 （4） 式（4）表明MOS 电容由ox C 和S C 串联构成，其等效电路如图1（b ）所示。

其中ox C 是以2O S i 为介质的氧化层电容，它的数值不随改变G V ；S C 是半导体表面空间区电容，其数值随G V 改变，因此oxro ox G ox d A dV dQ A C εε0== （5） S SC S dV dQ AC = （6） 式中ro ε是2O S i 相对介电常数。

# (c) Silvaco Inc., 2013go athena#line x loc=0.0 spac=0.1line x loc=0.2 spac=0.006line x loc=0.4 spac=0.006line x loc=0.6 spac=0.01#line y loc=0.0 spac=0.002line y loc=0.2 spac=0.005line y loc=0.5 spac=0.05line y loc=0.8 spac=0.15#init orientation=100 c.phos=1e14 space.mul=2 two.d#开始进行单步仿真#pwell formation including masking off of the nwell#diffus time=30 temp=1000 dryo2 press=1.00 hcl=3#etch oxide thick=0.02##P-well Implant#implant boron dose=8e12 energy=100 pears#开始提取杂质分布diffus temp=950 time=100 weto2 hcl=3##N-well implant not shown -## welldrive starts herediffus time=50 temp=1000 t.rate=4.000 dryo2 press=0.10 hcl=3 #diffus time=220 temp=1200 nitro press=1#diffus time=90 temp=1200 t.rate=-4.444 nitro press=1#etch oxide all##sacrificial "cleaning" oxidediffus time=20 temp=1000 dryo2 press=1 hcl=3etch oxide all##gate oxide grown here:-diffus time=11 temp=925 dryo2 press=1.00 hcl=3## Extract a design parameterextract name="gateox" thickness oxide mat.occno=1 x.val=0.05##vt adjust implantimplant boron dose=9.5e11 energy=10 pearson#depo poly thick=0.2 divi=10##from now on the situation is 2-D#etch poly left p1.x=0.35#method fermi compressdiffuse time=3 temp=900 weto2 press=1.0#implant phosphor dose=3.0e13 energy=20 pearson#depo oxide thick=0.120 divisions=8#etch oxide dry thick=0.120#implant arsenic dose=5.0e15 energy=50 pearson#method fermi compressdiffuse time=1 temp=900 nitro press=1.0## pattern s/d contact metaletch oxide left p1.x=0.2deposit alumin thick=0.03 divi=2etch alumin right p1.x=0.18# Extract design parameters# extract final S/D Xjextract name="nxj" xj silicon mat.occno=1 x.val=0.1 junc.occno=1# extract the N++ regions sheet resistanceextract name="n++ sheet rho" sheet.res material="Silicon" mat.occno=1 x.val=0.05 region.occno=1# extract the sheet rho under the spacer, of the LDD regionextract name="ldd sheet rho" sheet.res material="Silicon" \mat.occno=1 x.val=0.3 region.occno=1# extract the surface conc under the channel.extract name="chan surf conc" surf.conc impurity="Net Doping" \material="Silicon" mat.occno=1 x.val=0.45# extract a curve of conductance versus bias.extract start material="Polysilicon" mat.occno=1 \bias=0.0 bias.step=0.2 bias.stop=2 x.val=0.45extract done name="sheet cond v bias" \curve(bias,1dn.conduct material="Silicon" mat.occno=1 region.occno=1)\outfile="extract.dat"# extract the long chan Vtextract name="n1dvt" 1dvt ntype vb=0.0 qss=1e10 x.val=0.49structure mirror rightelectrode name=gate x=0.5 y=0.1electrode name=source x=0.1electrode name=drain x=1.1electrode name=substrate backsidestructure outfile=mos1ex01_0.str# plot the structuretonyplot mos1ex01_0.str -set mos1ex01_0.set############# Vt Test : Returns Vt, Beta and Theta ################go atlas# set material modelsmodels cvt srh printcontact name=gate n.polyinterface qf=3e10method newtonsolve init# Bias the drainsolve vdrain=0.1# Ramp the gatelog outf=mos1ex01_1.log mastersolve vgate=0 vstep=0.25 vfinal=3.0 name=gatesave outf=mos1ex01_1.str# plot resultstonyplot mos1ex01_1.log -set mos1ex01_1_log.set# extract device parametersextract name="nvt" (xintercept(maxslope(curve(abs(v."gate"),abs(i."drain")))) \ - abs(ave(v."drain"))/2.0)extract name="nbeta" slope(maxslope(curve(abs(v."gate"),abs(i."drain")))) \ * (1.0/abs(ave(v."drain")))extract name="ntheta" ((max(abs(v."drain")) * $"nbeta")/max(abs(i."drain"))) \ - (1.0 / (max(abs(v."gate")) - ($"nvt")))quit1、画出结构图，进行单步仿真，代码翻译（第7次实验）2、对比实验（第8次实验）注意：对比仿真时只能改变一个参数，其它参数要恢复到参考代码原始值。

ASIC课程设计——MOS输出级电路设计与Hspice仿真————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：目录一．背景介绍 (1)二．设计要求与任务 (2)三．电路原理及设计方法 (2)1．电阻负载共源级放大器电路原理分析 (3)2．有源负载共源放大器设计方法 (5)四．HSpice软件环境概述 (7)1．简介 (7)2．特点 (8)3．界面预览 (8)五．设计过程 (10)六．结果和讨论 (11)七．设计心得 (12)八．库文件程序附录 (13)一．背景介绍ASIC是Application Specific Integrated Circuit的英文缩写，在集成电路界被认为是一种为专门目的而设计的集成电路。

ASIC的设计方法和手段经历了几十年的发展演变，从最初的全手工设计已经发展到现在先进的可以全自动实现的过程。

在集成电路界ASIC被认为是一种为专门目的而设计的集成电路。

是指应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。

ASIC的特点是面向特定用户的需求，ASIC在批量生产时与通用集成电路相比具有体积更小、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增强、成本降低等优点。

ASIC分为全定制和半定制。

全定制设计需要设计者完成所有电路的设计，因此需要大量人力物力，灵活性好但开发效率低下。

如果设计较为理想，全定制能够比半定制的ASIC芯片运行速度更快。

半定制使用库里的标准逻辑单元（Standard Cell），设计时可以从标准逻辑单元库中选择SSI（门电路）、MSI（如加法器、比较器等）、数据通路（如ALU、存储器、总线等）、存储器甚至系统级模块（如乘法器、微控制器等）和IP核，这些逻辑单元已经布局完毕，而且设计得较为可靠，设计者可以较方便地完成系统设计。

现代ASIC常包含整个32-bit处理器，类似ROM、RAM、EEPROM、Flash的存储单元和其他模块. 这样的ASIC常被称为SoC（片上系统）。

mos管作为电容的曲线电容是电学中的一个重要概念，它是用来描述电路中存储电荷的能力的。

在电路中，电容器是最常见的元件之一。

电容器通常由两个导体之间隔绝的介质所组成，例如空气、塑料、玻璃等。

在电路中，电容器可以有效地存储电荷，当电源施加电压时，电荷会被存储在电容器的两个板之间。

这时，电容器会具有电荷和电场，形成一种电场能。

为了更好地理解电容的特性，我们可以观察一下电容器的电压和电荷之间的关系。

当电压升高时，电容器存储的电荷也会增加。

这是由于电容器的存储能力，也可以理解为电容与电压之间的线性关系。

我们可以用一个简单的公式来表示电容的存储能力，即C = Q/V，其中C表示电容（以法拉为单位），Q表示电容器存储的电荷量（以库仑为单位），V表示电容器上施加的电压（以伏特为单位）。

当电荷量不变时，电容器的电压升高，电容器的电容也会增加。

这意味着在电路中，电压可以调节电容的大小，从而调节电容器的存储能力。

除了存储电荷外，电容器还具有一些其他的特性。

其中一个重要特性是电容器的充电和放电过程。

当一个电容器连接到电源电路时，电容器会逐渐累积电荷，直到达到电源电压的稳定值。

这个过程被称为充电过程。

在充电过程中，电容器的电压与时间的关系可以用一个指数函数来描述。

当电容器处于充电状态时，如果将其与电路断开，电容器上存储的电荷将通过电路中的负载器件释放出来。

这个过程被称为放电过程。

在放电过程中，电容器的电压与时间的关系也可以用一个指数函数来描述。

除了充电和放电过程，电容器还可以在电路中形成谐振电路。

谐振电路是一种特殊的电路，可以在特定的频率下产生共振现象。

在谐振电路中，电容器和电感之间的相互作用会形成一个共振频率，当电路中的输入信号的频率等于共振频率时，电容器和电感之间的能量交换达到最大值，从而产生共振现象。

除了上述特性外，电容器还具有一些其他的应用。

例如，电容器可以用于滤波电路，用于消除电路中的噪声和杂波；电容器还可以用于存储能量，例如用于电池等电源中；电容器还可以用于启动电动机等等。

LAB2 两级CMOS 运算放大器的设计V SSvoutiref图 1两级CMOS 运算放大器一：基本目标：参照《CMOS 模拟集成电路设计第二版》p223.例6.3-1设计一个CMOS 两级放大器，满足以下指标：5000/(74)v A V V db = 2.5DD V V = 2.5SS V V =-5GB MHz = 10L C pF = 10/SR V s μ>out V V ±范围=2 1~2ICMR V =- 2diss P mW ≤相位裕度：60为什么要使用两级放大器，两级放大器的优点：单级放大器输出对管产生的小信号电流直接流过输出阻抗，因此单级电路增益被抑制在输出对管的跨导与输出阻抗的乘积。

在单级放大器中，增益是与输出摆幅是相矛盾的。

要想得到大的增益我们可以采用共源共栅结构来极大地提高输出阻抗的值，但是共源共栅结构中堆叠的MOS 管不可避免地减少了输出电压的范围。

因为多一层管子就要至少多增加一个管子的过驱动电压。

这样在共源共栅结构的增益与输出电压范围相矛盾。

为了缓解这种矛盾引进了两级运放，在两极运放中将这两点各在不同级实现。

如本文讨论的两级运放，大的增益靠第一级与第二级相级联而组成，而大的输出电压范围靠第二级这个共源放大器来获得。

表1 典型的无缓冲CMOS 运算放大器特性二：两级放大电路的电路分析：图1中有多个电流镜结构，M5,M8组成电流镜，流过M1的电流与流过M2电流1,23,45/2d d d I I I ==，同时M3，M4组成电流镜结构，如果M3和M4管对称，那么相同的结构使得在x ，y 两点的电压在Vin 的共模输入范围内不随着Vin 的变化而变化，为第二极放大器提供了恒定的电压和电流。

图1所示，Cc 为引入的米勒补偿电容。

表2 0.5m μ工艺库提供的模型参数表3 一些常用的物理常数利用表2、表3中的参数/OX ox ox C t ε=0oxK C μ'=计算得到2110/NK A V μ'≅ 262/PK A V μ'≅ 第一级差分放大器的电压增益为：1124m v ds ds g A g g -=+ （1）第二极共源放大器的电压增益为6267m v ds ds g A g g -=+ （2）所以二级放大器的总的电压增益为16261224675246672()()m m m m v v v ds ds ds ds g g g g A A A g g g g I I λλλλ===++++ （3）相位裕量有111121180tan ()tan ()tan ()60M GB GB GB p p z ---Φ=±---=要求60°的相位裕量，假设RHP 零点高于10GB 以上11102tan ()tan ()tan (0.1)120v GBA p ---++= 102tan ()24.3GBp -= 所以2 2.2p GB ≥ 即622.2()m m L cg gC C > 由于要求60的相位裕量，所以626210()10m m m m c cg gg g C C >⇒> 可得到 2.20.2210Lc L C C C >==2.2pF 因此由补偿电容最小值2.2pF ，为了获得足够的相位裕量我们可以选定Cc=3pF 考虑共模输入范围：在最大输入情况下，考虑M1处在饱和区，有3131(max)(max)DD SG n IC n TN IC DD SG TN V V V V V V V V V V --≥--⇒≤-+ （4）在最小输入情况下，考虑M5处在饱和区，有1515(min)(min)IC SS GS Dsat IC SS GS Dsat V V V V V V V V --≥⇒≤++ （5）而电路的一些基本指标有11m v Cg p A C =-（6） 62m Lg p C =-（7） 61m Cg z C =（8） 1m Cg GB C =（9） CMR:正的CMR in31()()DD T T V V V +（最大）=V 最大最小 (10)负的CMR in15()()SS T DS V V V ++（最小）=V 最大饱和(12)由电路的压摆率5d CI SR C =得到 5d I =(3*10-12)()10*106)=30μA(为了一定的裕度，我们取40iref A μ=。

PSPICE仿真流程(2013-03-18 23:32:19)采用HSPICE 软件可以在直流到高于100MHz 的微波频率范围内对电路作精确的仿真、分析和优化。

在实际应用中，HSPICE能提供关键性的电路模拟和设计方案，并且应用HSPICE进行电路模拟时，其电路规模仅取决于用户计算机的实际存储器容量。

二、新建设计工程在对应的界面下打开新建工程：2）在出现的页面中要注意对应的选择3）在进行对应的选择后进入仿真电路的设计：将生成的对应的库放置在CADENCE常用的目录中，在仿真电路的工程中放置对应的库文件。

这个地方要注意放置的.olb库应该是PSPICE文件夹下面对应的文件，在该文件的上层中library 中的.olb中的文件是不能进行仿真的，因为这些元件只有.olb，而无网表.lib。

4）放置对应的元件：对于项目设计中用到的有源器件，需要按照上面的操作方式放置对应的器件，对于电容，电阻电感等分离器件，可以在libraries中选中所有的库，然后在滤波器中键入对应的元件就可以选中对应的器件，点击后进行放置。

对分离元件的修改直接在对应的元件上面进行修改：电阻的单位分别为：k m;电容的单位分别为：P n u ;电感的单位分别为：n 及上面的单位只写量级不写单位。

5）放置对应的激励源：在LIBRARIES中选中所有的库，然后键入S就可以选中以S开头的库。

然后在对应的库中选中需要的激励源。

激励源有两种一种是自己进行编辑、手工绘制的这个对应在库中选择：另外一种是不需要自己进行编辑：该参数的修改可以直接的在需要修改的数值上面就行修改，也可以选定电源然后点击右键后进行对应的修改。

6）放置地符号：地符号就是在对应的source里面选择0的对应的标号。

7）直流电源的放置：电源的选择里面应该注意到选择source 然后再选定VDC或者是其它的对应的参考。

8）放置探头：点击对应的探头放置在感兴趣的位置处。

6 对仿真进行配置：1）对放置的项目的名称进行设置，也就是设置仿真的名称。

《MOS输入电容和输出电容反向传输电容测试原理》一、MOS输入电容的概念及测试原理MOS输入电容（Cin）是指MOS场效应管输入端的电容，它是由栅极和源极之间的结电容和栅极与基底之间的扩散电容所组成的。

输入电容是MOS场效应管的重要参数之一，它直接影响着MOS管的高频特性和输入阻抗。

在测试MOS输入电容时，可以采用交流稳态法来测量。

测试原理是将待测MOS管的栅极加上一定频率的信号，通过测量输入端的电流与电压的相位差，计算得到输入电容的值。

二、MOS输出电容的概念及测试原理MOS输出电容（Cout）是指MOS场效应管输出端的电容，它是由漏极和源极之间的结电容和漏极与基底之间的扩散电容所组成的。

输出电容也是MOS管的重要参数之一，它直接影响着MOS管的高频特性和输出阻抗。

测试MOS输出电容的方法通常是采用相应的测试仪器，如示波器和高频参数测量仪等，通过施加不同的电压和频率信号，测量输出端的电压变化来计算输出电容的数值。

三、反向传输电容测试原理在MOS管中，由于通道区域的载流子浓度和MOS结电容的存在，使得栅极与漏极之间存在着反向传输电容。

在进行反向传输电容的测试时，可以利用交流测量方法，通过测量栅极和漏极之间的电压变化，从而得到反向传输电容的数值。

而这个数值对于MOS管的高频特性和开关速度有着重要的影响。

四、个人观点在实际的电路设计与应用中，对MOS输入电容和输出电容以及反向传输电容的测试原理的深入理解是非常重要的。

只有充分了解这些参数的特性和测试方法，才能更好地优化电路设计、提高系统的性能，并解决实际使用中遇到的问题。

在工程实践中，需要不断学习和探索，加深对这些知识的理解和应用。

总结回顾：通过本文的阐述，我们对MOS输入电容和输出电容的概念及测试原理有了更深入的了解。

我们也了解到反向传输电容的测试原理在MOS 管的应用中具有重要的作用。

在实际应用中，对这些参数的准确测试和分析至关重要，因此我们需要认真对待，并不断学习和实践。