Versuch 05: MOSFET Simulation
Statische Kennlinien von FETs werden simuliert und mit Messwerten verglichen.
5.1. LTSPICE Simulation
Bauen Sie in LTSPICE folgende Schaltung auf und simulieren Sie:
Abb.1: LTSPICE Schaltplan zur Messung der Kennlinie eines MOSFETs.
NMOS_4007_Uebertragung.asc
Bei der Simulation wird an M1 die Übertragungskennlinie und an M2 die Ausgangskennlinie dargestellt.
Das Transistormodell könne Sie mit Edit->SPICE Directive setzen.
Den MOSFET wählen Sie mit Edit-> Component-> nmos4 aus.
Ändern Sie VT0(Vth), KP und Lamda gemäß Ihren Werten aus dem vorherigen Versuch.
Stellen Sie die Kennlinie dar.
Exportieren Sie die Daten der Übertragungskennlinie und der Ausgangskennlinie.
Tragen Sie die exportierten Simulationsdaten in folgende Tabelle ein:
| VDS | ID(M1) | ID(M2) |
| [V] | [A] | [A] |
5.2. Die MOSFETgleichung in EXCEL
Öffnen Sie die EXCEL Datei WS2011_Elek3_Praktikum_05a_Versuch_05_MOSFET_2011_11_16 . Es ist eine Tabelle vorbereitet, die die einfachen Transistorgleichungen berechnet.
Die Parameter Uth, \( \beta \) und \( \lambda \) der Transistorgleichung können eingegeben werden, UDS und UGS werden aus den Spalten A und B verwendet und der entsprechende Strom wird in Spalte D nach der MOSFET Transistorgleichung berechnet.
In Spalte C wird der simulierte oder gemessene Strom IDS eingetragen.
Die Werte der Ausgangskennlinie ID(M2) werden in den Zeilen 7 bis 24 eingegeben.
Die Werte der Übertragungskennlinie ID(M1) werden in den Zeilen 26 bis 39 eingegeben.
Die MOSFET Transistorgleichung lautet:
\( I_{DS}= \cases{ 0 & \text{für} U_{GS} \leq U_{th} \text{Sperrbereich} \cr \beta \left( U_{GS}-U_{th} \right)^2 \left( 1+\lambda U_{DS} \right) &\text{für} 0 \leq U_{GS} - U_{th} \lt U_{DS} \text{Sättigung} \cr \beta \left( 2 \left( U_{GS}-U_{th} \right) U_{DS} - U_{DS}^2 \right) & \text{für} 0\leq U_{GS} - U_{th} \geq U_{DS} \text{Triodenbereich} } \)
\( \beta = \frac{\mu_n \epsilon_{ox}}{2d_{ox}} \frac{W}{L} = \frac{1}{2} \mu_n C_{ox}^{'} \frac{W}{L} = \frac{1}{2} K_{n}^{'} \frac{W}{L} = \frac{1}{2} K_{n} \)
Machen Sie sich mit der EXCEL Tabelle vertraut.
5.3. Vergleich von Messung (V04) und MOSFET-Gleichung in EXCEL
Tragen Sie Ihre gemessenen Werte des vorigen Versuches in die Spalten A, B und C der Tabelle ein.
Tragen Sie Ihre berechneten Werte für Uth, \( \beta \) und \( \lambda \) ein.
Fügen Sie hier einen Screenshot des Excelblattes ein:
Remove
Tragen Sie hier die Summe der Fehlerquadrate zwischen Modell und Messung ein.
Wählen Sie je 2 verschiedene Werte für die Modellparameter für Uth, \( \beta \) und \( \lambda \) und versuchen Sie den relativen Fehler zwischen Modell und Messung zu optimieren.
Was stellen Sie fest?
5.4. Vergleich von Simulation und MOSFETgleichung in EXCEL
Erzeugen Sie ein weiteres Tabellenblatt für die SPICE Simulation:
Rechtsklick auf den Reiter -> Verschieben/Kopieren.
Kopie erstellen anklicken und mit ok bestätigen.
Tragen Sie Ihre simulierten Werte in die Spalten A, B und C der Tabelle ein.
Tragen Sie Ihre Modellwerte für Uth, \( \beta \) und \( \lambda \) ein.
Fügen Sie hier einen Screenshot des Excelblattes ein:
Remove
Tragen Sie hier die Summe der relativen Fehler zwischen Modell und Simulation ein.
Wählen Sie verschiedene Werte für die Modellparameter und versuchen Sie den relativen Fehler zwischen Modell und Simulation zu optimieren.
Was stellen Sie fest?
Literatur
[1] Semiconductor Device Modeling with SPICE, G. Massobrio, P. Antognetti, McGraw Hill, New York, 1993
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