PSpice 21周仿真培训 I 第19周：场效应晶体管模型的建立
场效应晶体管（Field Effect Transistor, FET）也是一种半导体三极管，简称场效应管。它的功能和双极型晶体管相同，可用作放大元件或开关元件，但是其工作原理却与双极型晶体管不同，双极型晶体管是电子和空穴两种极性的载流子同时参与导电，而场效应管是利用多数载流子一种载流子参与导电。正因为只有多子参与导电，因此它的温度稳定性较好，更适合用于集成电路芯片；同时场效应管的输入电阻很高，远远高于BJT，可达109以上，而且工艺简单，功耗很小，噪声低，体积小，尤其是MOSFET，受到数字处理器的青睐，适用于大规模集成。
按参与导电的载流子分，可分为N沟道和P沟道；按照工艺结构来分，分为结型(JFET)和绝缘栅型（MOSFET）；按照工作前是否具有原始导电沟道分，分为增强型和耗尽型。由于增强型MOSFET应用最为广泛，所以本期重点对增强型MOSFET进行讲解。
本期看点：
场效应晶体管的PSpice模型
子电路构建场效应管模型
新建模型在典型电路中的应用
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MOSFET的模型参数
01 MOSFET工作特性 MOSFET工作区域分为截止区、可变电阻区和恒流区。我们以N沟道增强型MOSFET为例，组成示意图如图19.1所示，其中栅极宽度为W，有效的栅极长度为L，栅极下方氧化层的厚度为tox。 图19.1 N沟道增强型MOSFET组成示意图 图19.2 N沟道增强型MOSFET和输出特性曲线 MOSFET的输出特性曲线如图19.2所示，引导源极和漏极之间沟道导通的电压称为阈值电压Vth。 在截止区，对于任何漏源电压，漏极电流始终为零 在可变电阻区，MOSFET表现为非线性压控电阻，其漏极电流和漏源电压之间的关系如下；其中μn是电子表面迁移率，Cox是每单位面积的栅极电容。Vth为栅极-源极间的阈值电压。 当VDS增加时，ID上升，直到沟道的漏极末端夹断，ID不再上升。这种夹断发生在 VDS = VGS - Vth 时，图19.1(b)的虚线为预夹断的轨迹线。当漏源电压超过轨迹线值后，MOSFET进入恒流区，其漏极电流和漏源电压之间的关系可简化为： 02 MOSFET模型参数 根据MOSFET管的特性方程得到其等效电路，图19.3表示N沟道MOSFET的PSpice时域模型，如果将图中的二极管和漏电流倒向，即为P沟道，若去掉其中的电容就变成直流模型。 图19.3 N沟道MOSFET的PSpice模型 PSpice中N沟道和P沟道MOSFET模型语句如下： 这里MNAME是MOSFET的模型名，它可以任意字母开头，长度限制在8位以内。NMOS和PMOS分别为n沟道和p沟道MOSFET类型符；P1、P2、……和V1、V2、……分别是模型参数和它们的值。 例 在场效应管库中型号为IRF035的三极管的PSpice模型语句为： PSpice包含以下几种MOSFET模型，由参数中的LEVEL指明选用级别： 当LEVEL=1时表示是一级模型 采用平方律特性描述的Shichman-Hodges模型，考虑了沟道长度调制效应，一级模型参数较少，对于电路特性的快速初略估计非常适用。 当LEVEL=2时表示二级模型 采用高级Shichman-Hodges模型，考虑了短沟、窄沟对阈电压的影响，迁移率随表面电场的变化，载流子极限速度引起的电流饱和和调制以及弱反型电流等二次效应，二级模型需耗费大量CPU计算时间，而且电路仿真有可能出现不收敛情况。 当LEVEL=3时表示三级模型 它是半经验模型，采用一些经验参数来描述类似于二级模型的二级效应。是改进型Shichman-Hodges模型，为短沟道模型，因为当MOS管长度短至2μm以下时二级模型已经复杂到难以解析表达式，就需要使用三级模型。 LEVEL4模型指的是BSIM1(Berkeley Short Channel IGFET Model 1)模型 主要是针对1μm及以上工艺的器件而开发，可以精确地模拟器件的电学行为。与PSpice的其他模型不同，BSIM模型是从过程特征中获得数值，可以自动生成，同时由于没有指定参数的默认值，漏掉一个参数可能会导致问题。 LEVEL 5模型指的是EKV2.6 是基于反型层电荷地集约模型，以衬底电势为参考电势，漏源两级对称，认为漏源电流是受栅源电压Vgs调控的正向电流和受漏极电压调控的反向电流共同构成，EKV满足模型对称性，可以仿真Vds为负值的情况。 LEVEL6模型指的是BSIM3V2模型 BSIM3通过准二维(quasi-two dimensional)分析对短沟效应、窄沟效应等进行了建模，同时考虑器件的集合参数和工艺参数，可以对大尺寸范围的器件进行精准仿真，解决了BSIM1和BSIM2的缺陷。 LEVEL7模型指的是BSIM3V3模型 BSIM3的第三代模型是BSIM3模型的扩展，引入平滑函数，使得BSIM3模型采用单一等式描述不同工作区器件特性，消除了不连续性。同时在模型连续性上进行了修正，实现对小尺寸器件的精确仿真。 LEVEL8模型指的是BSIM4模型 面向100nm以下的工艺，更加适用于深亚微米器件和射频电路的仿真。BSIM4不仅修改原有的器件本征I-V模型，而且结合外部寄生参数修改了晶体管的噪声模型。 PSpice中的MOSFET支持以上八级的模型，比较常见的是前面三级的模型，下面给出前三级涉及的常用的参数见表19.1。 表19.1 MOSFET模型参数 2 MOSFET建模 01 曲线拟合建模 MOSFET模型参数主要由材料和结构决定，模型参数的提取一般都需要计算机辅助才能进行，可以利用管子各工作区的特点，分段线性拟合提取，也可以直接拟合输出特性的优化提取。 PSpice提供的Model Editor工具是利用特性曲线对PSpice模型参数提取进行建模。由于晶体管的PSpice模型参数与Datasheet中所列数据通常并不一一对应，因此创建PSpice模型时需要对实际参数进行提取，然后再将其转化为PSpice模型参数。 MSOFET利用Model Editor工具建模的步骤和上一期BJT曲线拟合建模是一样的，具体步骤可以参阅上一期。这里只列出构建MOSFET需要提供哪些数据曲线： 1 导通电荷(Turn-on Charge)数据输入 MOSFET的导通电荷主要用于估算栅极杂散电容，该电容与沟道电容一起构成开关器件总电容，从而控制导通电荷量。 如图19.4所示，需要输入Qgs、Qgd、Vds、Id的数据，Qgs指栅极-源极电压从零升高到支持负载电流所需要的电荷量，Qgd指栅极-漏极电荷或“密勒”电荷。在数据手册里是可以找到相应Vds、Id下Qgs、Qgd的数值直接输入即可。 图19.4 导通电荷数据输入界面 2 反向漏电流数据输入 漏源电压和反向漏电流的关系曲线主要用于计算模型参数中IS、N和RB。可以从数据手册中得到漏源电压与反向漏电流的曲线，得到其坐标数据，并将数据输入图19.5的数据输入窗口中进行数据拟合。 图19.5 反向漏电流数据输入界面 3 转移特性曲线Vgs-Id数据输入 转移特性曲线主要用于估算阈值电压VTO，数据尽量选择接近最大漏极电流值时对应的计算值。数据手册中找到25o时对应的转移特性曲线，得到数据表，输入图19.6所示的数据输入界面中。 图19.6 转移特性曲线数据输入界面 4 跨导Id-gFS特性数据输入 MOSFET跨导模型对晶体管基本几何尺寸、电导参数和串联电阻进行计算，主要用于估算模型参数中KP、W、L、RS。PSpice进行跨导计算时，假设跨导值和漏极电流二次方根成正比，但线性度受到源极电阻RS限制，RS越大线性度越差。可以从数据手册中获取数据输入图19.7所示的数据输入界面中。 图19.7 跨导特性数据输入界面 5 导通电阻Rds(on)数据输入 MOSFET的导通电阻对应模型参数的Rd，主要控制沟道电阻、源极和漏极串联电阻。导通电阻必须为正值，并且导通电阻所对应的ID值不应超过最大额定连续电流值。同样数据手册中获得一组Vds和Id对应的导通电阻Rds(on)数值，输入图19.8的数据输入界面中。 图19.8 导通电阻Rds(on)数据输入界面 6 零偏置漏电流Vds-Idss数据输入 MOSFET零偏置漏电流数据曲线主要用于设置漏极和源极之间的漏电流，对应模型参数为Rds，漏电流主要由PN结表面效应引起，PSpice模型通过漏源之间的等效电阻进行模拟，通常取数值的上限值。从数据手册中确定零偏置漏电流和对应的漏源电压值，输入图19.9所示的数据输入界面。 图19.9 零偏置漏电流数据输入界面 7 输出电容Vds-Coss数据输入 输出电容和漏源电压的曲线主要是为了估算MOSFET的CBD、PB、MJ和FC参数。根据数据手册的曲线，提取数据点，输入图19.10所示的数据输入界面中，曲线拟合，获得对应参数值。 图19.10 输出电容Vds-Coss数据输入界面 8 开关时间数据输入 开关时间数据参数用于计算栅极串联电阻RG。虽然数据手册中制定了很多开关时间，但它们都与寄生电容有关，寄生电容已由栅极电荷确定，串联电阻通过开关特性进行确定。图19.11是开关时间数据输入界面，需要从数据手册中获取开关时间参数值进行数据。 图19.11 开关时间数据输入界面 02 子电路建模 曲线拟合建模需要依赖完备的数据手册，数据手册中提供的特性曲线和数据越多，模型就越接近实际。但有些晶体管的数据手册中并没有提供全部的特性曲线，就很难使用曲线拟合的方式建模。 PSpice提供IC器件很多都是采用子电路模型创建，对于用户自行设计的集成电路器件或者是公司内部共享的电路单元，用户也可以将其以自建子电路（使用内部电路或使用ABM模块仿真）的形式添加到PSpice的模型库中，并用一个自定义的元器件符号代表电路单元。 在电路设计和模型过程中，用户可以象调用库中原有元器件一样，直接调用该模型。 子电路的语句描述是： 例 自己构建子电路创建一个MOSFET模型 某射频功率MOSFET晶体管DE150-201N09A，数据手册中没有提供详细的特性曲线，但它提供了SPICE模型电路，如图19.12。 它属于SPICE三极模型的扩展，里面包括了三个杂散电感LG、LS和LD；图中的RD相当于器件的导通电阻RDS(on)；Rds是电阻性漏电项；晶体管的输出电容Coss和反向传输电容CRSS由反向偏置二极管建模，为器件提供变容二极管响应。Ron和Roff用于调整晶体管的开启延迟和关闭延迟。 图19.12 数据手册中提供的模型电路 具体步骤如下： 步骤一：在原理图设计工具Capture中绘制电路图，并生成网表(netlist) 在新建工程时只要新建原理图即可，不需要运行仿真。在绘图区内绘制图19.13所示的电路图： 图19.13 绘图区内绘制子电路 图中MOS管和二极管均选用BREAKOUT库中的器件，并对其参数进行设置： 然后在工程界面下，选择tools/Create Netlist，得到图19.14所示对话框，按照图19.14的步骤使用软件直接生成网表： 图19.14 生成网表 通过给定的路径，我们可以在文件夹下找到刚刚生成的.lib的文件： 图19.15 子电路生成的库文件 步骤二：使用Model Editor工具打开，并在模型编辑器中执行File→Export to capture Part library，得到图19.16所示的界面，点击OK。生成器件对应的olb文件。 图19.16 输出器件的olb文件 步骤三：继续执行File→Model Import Wizard [capture]，为该模型选择合适的外形。此处模型可以采用系统默认的，后面在原理图中进行修改，也可以直接从元件库中找到可以兼容的直接应用。如图19.17所示的步骤进行。保存符号后，关闭Model Editor。 图19.17 编辑新建模型符号的步骤 这样，在工程文件夹下就可以看到如下两个文件： 这预示器件的SPICE建模已经完成。 03 Modeling App建模 SPB 17.4 版本在Modeling Application中增加了Power MOSFET 的建模APP，可以让用户轻松地使用功率MOSFET建模应用界面添加参数化的MOSFET。用户可以直接指定参数，构建的模型能够在各种条件下进行仿真和测试。 打开方式：在原理图设计工具Capture的绘图窗口中，执行Place→ PSpice Component→ Modeling Application。得到图19.18所示的对话框： 图19.18 功率MOSFET建模应用界面 N沟道MOSFET模型的具体参数及其默认值在表19.2中提供： 表19.2 功率MOSFET模型具体参数及其默认值 P沟道和N沟道的参数含义基本一致，只是默认值有所差别。 例 以IXY公司的功率MOS场效应管DE50-201N09A为例 查看其数据手册，从数据手册中获取建模应用界面中所需的参数值，直接输入即可，如图19.19所示： 图19.19 从数据手册中获取参数数值 相比子电路建模和曲线拟合建模，Modeling APP建模是最为方便和快速的方法。 3 典型电路验证自建模型 新建工程，搭建如图19.20所示的测试特性曲线电路，注意在选择新建的晶体管时，如果是使用曲线拟合方式和子电路建模方式构建的模型，都需要在绘图工具栏中选择放置器件（Place Part）的图标，添加.olb文件，将自建的晶体管图标放置在电路图中。如果是Modeling Application的方式，只要直接构建好后直接放置即可。 图19.20 MOSFET特性曲线测试电路 绘制输出特性曲线，如图19.21所示，使用直流扫描分析（DC Sweep），参变量设置为栅源电压Vgs。同时必须将自建的MOSFET库文件加载到项目中，在Simulation Settings页面中选择Configuration Files → Library，将.lib文件添加到项目(Add to Design)中。如图19.22所示： 图19.21 绘制输出特性曲线的参变量设置 图19.22 添加库文件到工程中 运行仿真得到图19.23所示的仿真结果： 图19.23 输出特性曲线 这一期我们介绍了增强型MOSFET的三种建模方法，重点介绍了子电路建模，并验证该建模方法生成的器件。这些建模方法同样适用于其他的半导体器件。
