TSMC35特性参数的淬取

1、TSMC35特性參數的淬取在分析電路時，我們通常要使用一般電子學課本裡面所推導的公式。在這些公式裡面，電晶體的特性是用一些含二階效應的SPICE模型參數所表示，如K、L等。模型等。這些模型可以讓TSMC的模型能更精確的模擬出實際的電晶體動作狀況，但其缺點是使用的參數太多，無法提供成為一般的推導用公式，而且更嚴重的是：沒有直接通用的公式，可以將這些三、四代模型的參數值，反推回成早期的二階效應參數值。而我們如果要使用課本裡面的公式，都必需代入這些早期的二階效應參數值，所以我們必需自已找出方法，將這些的二階效應參數值從模型中取出。我們的方法是反向推導，用先進的三、四代模型模擬出電晶體的特性曲線。再將

2、這些模擬的結果當成是真正的電晶體特性曲線，再從這些曲線中，反推出二階效應的參數值。以便可使用這些參數，提供給我們做電路分析時的需要。下列spice程式使用了TSMC的模型，畫出tsmc35 nmos的特性曲線-* tsmc35輸出阻抗量測m6 vd vg 0 0 nch w=20u l=5u *.protect.lib "mm0355v.l" TT.unprotect.OPTION POST.plot i(m6) .end*-畫出之曲線如下圖：圖中可取得的一些重要數據：閘極電壓Vg汲極電壓Vd汲極電流Id122e-42e-42e-421.12e-332e-313e-53e-

3、43e-43e-431.12e-333e-3一些SPICE二階模型的參數：臨界電壓從特性曲線圖可看出Vg=0.6時，Id幾乎為0，顯示臨界電壓在0.6以下，故Vth = 0.536應為合理值。關於K值電晶體的K值可用t0x及un推算出來可得單位面積之閘極氧化層電容值Cox = F/um2 *50/75 = 4.6 fF/um2電子移動率Un，模型內無列值，使用一般值350cm2 s/V則可推得K = un*Cox = 161uA/V2依此值可推得在Vg=1時，飽和電流應為Id=K/2 (W/L) (Vg-Vth)2 = 80 * 4 * 1.2642 = uA <-> uA在Vg=

4、1.4時，飽和電流應為Id=K/2 (W/L) (Vg-Vth)2 = 80 * 4 * 1.2642 = uA <-> 248uA在Vg=1.8時，飽和電流應為Id=K/2 (W/L) (Vg-Vth)2 = 80 * 4 * 1.2642 = 511 uA <-> 490uA而在Vg=3時，飽和電流為Id=80*4*(3-0.536)2= 1942uA <-> 1450uA理論值略有高估。下列程式量測電晶體之gm值：-* tsmc35輸出* .param ww=1m6 out vg 0 0 nch w=5u*ww l=5u r1 vd out 30k/w

5、wvgg vg 0 sin( 1.4 0.001 1k).protect.lib "mm0355v.l" TT.unprotect.OPTION POST.tran s 2ms .print tran i(m6) .end*-量測結果如下：WI(m2)dcI(m2)acvout20uuu4m15uum10uuum5u由Idc = K/2 (W/L) ( 1.4 0.536 )2K = 165u，各情況所得值如下表： 可見在Vdd=3.3，Vg=1.4時，所得之K值蠻接近理論值。小信號放大率的計算：依照Gm=sqrt(2K W/L Id)，可得Gm = sqrt ( 330u

6、 3 185.3u ) = 429u與量測極為值接近。*關於Lambda值依電子學公式，MOS之輸出阻抗為 r = 1 / L*Id 而 r = d V / dI圖上取Vd=3與Vd=2間之電流差，即為 dI/dV = 1/r = L*IdVgVd=3之IdVd=2之IddIddId/Id=所得之L10.00E+000.00E+003所得之值遠低於一般教科書之0.1，因此，我們採用所得之最大值0.02來估算。*為了驗証我們所得到的參數，我們模擬一個差動放大器來測試：電路圖如下：SPICE檔案如下：m3 f f vdd vdd pch w=410u l=5um4 vout f vdd vdd p

7、ch w=410u l=5um1 f vin1 vp 0 nch w=60u l=5um2 vout vin2 vp 0 nch w=60u l=5um5 vp ref 0 0 nch w=145u l=5um6 ref ref 0 0 nch w=145u l=5uiref vdd ref 500uvin1 vin1 0 sin( 1.8 0.001 1k)vin2 vin2 0 sin( 1.8 -0.001 1k).tran 0.1ms 2ms.print tran i(m2) i(m4).protect.lib "mm0355v.l" TT.unprotect.OP

8、TION POST.end*模擬結果：直流偏壓值：V01Vp = 0.722V5Vout輸入電壓vin1, vin2之波形輸出電壓vout之波形輸出電晶體m2上之電流如下圖+我們將計算值與模擬出來的值比較如下理論計算值：Vb由偏壓電流所決定：Iref = 500u = K/2 (145/5) (vb vth )2 = 2392u (vb 0.536)2Vb = sqrt(500/2392) + 0.536 = 0.457 + 0.536 = 01Vp由 m2的vin值所決定，此時m2經過之電流為偏壓電流之一半Iref/2 = 250u = K/2 (60/5) (vin2 vth vp )2

9、= 165u*6*(1.8 0.536 vp)2 = 990u * ( 1.264 vp )2Vp = 1.264 - sqrt(250/990) = 1.264 0.503 = 0.761模擬值為0.722Vf的值由m3與偏壓電流決定，同理m3的電流為50u的一半Iref/2 = 250u = Kp /2 (410/5) ( vthp vf)2Kp值可由nmos的K值除以 2.2(電子與電洞移動率之比)而得Vthp在TSMC所給技術檔內列為 V所以上式可得250u = 73u*41*( 3.3 - 0.7355 vf)2 = 2993u ( 2.5645 vf )2Vf = 2.5645 -

10、 sqrt(250/2993) = 2.5645 89755以上可見偏壓值之計算與模擬所得誤差皆在合理範圍內。小信號放大率計算：12 (因為vin1, vin2反相，振幅加倍)輸出信號vout之振幅由圖中可見約大於故放大率為 = 155小信號放大率之公式為：其中gm2可由Gm2 = sqrt ( 2K (W/L) Id ) = sqrt (322u*12*250u) = 983u故得 ro2/ro4 為 155/983u = 158K利用ro2=1/L2*Id，可得(L2+L4)Id = 1/158KL2+L4 = 1/(158K * 250u) = 1/ = 0.025此值也是遠小於理論值之0.3，故可見TSMC之lambda值要使用小一點的預估值方可得到正確結果。M理論值為iac = vin * gm2I與模擬值接近。-為了能得到較正確的lambda預估，我們也作了pmos的特性線：* tsmc35lambdapchm6 s vg vd vd pch w=20u l=5u vs s 0 0.protect.lib "mm0355v.l" TT.unprotect.OPTION POST.plot i(m6) .end*特性曲線如下圖：