Ανάπτυξη Μοντέλου Mos-fet Στην Γλώσσα Verilog-a Βάσει Του Μοντέλου Ekv

Abstract

Θέμα της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η γραφή ενός μοντέλου MOS τρανζίστορ. Για τον σκοπό αυτό έχει επιλεγεί η γλώσσα περιγραφής αναλογικών συστημάτων Verilog-A v2.0. Ο λόγος που επιλέχθηκε αυτή η γλώσσα είναι το γεγονός ότι πρώτον: χαρακτηρίζεται από μία απλότητα και δεύτερον: ότι υποστηρίζεται από όλο και περισσότερους εξομοιωτές κυκλωμάτων. Στην συγκεκριμένη εργασία χρησιμοποιήθηκε για προσομοιώσεις κυρίως το πρόγραμμα Cadence.Η μοντελοποίηση της συμπεριφοράς των MOS τρανζίστορ είναι ένα ιδιαίτερα δύσκολο πρόβλημα που μέχρι σήμερα δεν έχει λυθεί επαρκώς. Τα μοντέλα που έχουν αναπτυχθεί στο παρελθόν (με κλασσικότερο το BSIM3v3), αν και χρησιμοποιούνται ευρέως, έχουν αρκετά προβλήματα και αποτυγχάνουν να προβλέψουν τα πιο πολύπλοκα φαινόμενα που παρουσιάζονται στα αναλογικά MOS κυκλώματα. Μία σχετικά νέα προσέγγιση στην μοντελοποίηση του ΜOS είναι το EKV μοντέλο. Τα αποτελέσματά του είναι ιδιαίτερα ικανοποιητικά και ακολουθούν τα πειράματα τόσο σε πρώτης τάξης φαινόμενα όσο και σε ανώτερων τάξεων (π.χ. δι-αγωγιμότητες και δια-χωρητικότητες)Το μοντέλο που τελικώς υλοποιήθηκε δεν είναι παρά ένα μικρό κομμάτι της όλης θεωρίας που έχει αναπτυχθεί υπό τον τίτλο EKV. Περιορισμοί τέθηκαν από πολλούς παράγοντες που θα αναπτυχθούν παρακάτω (συμπεριλαμβανόμενου φυσικά και του χρόνου). Το τελικό αποτέλεσμα λοιπόν είναι ένα μοντέλο που δίνει σε ικανοποιητικό βαθμό την DC απόκριση του τρανζίστορ και όσον αφορά το εύρος των συχνοτήτων εκτείνεται στην ονομαζόμενη quasi-static περιοχή.Στο πρώτο κεφάλαιο αναφέρονται λίγα λόγια για την ιστορία της ηλεκτρονικής και παρουσιάζονται τα σημαντικότερα γεγονότα που συνδέονται με την ανακάλυψη του MOS τρανζίστορ. Αυτή ξεκινάει από τα πρώτο βήματα της ηλεκτρονικής στις αρχές του προηγούμενου αιώνα και φτάνει μέχρι τις μέρες μας.Στην συνέχεια περιγράφεται στο δεύτερο κεφάλαιο η συμπεριφορά και η δομή ενός MOS τρανζίστορ. Εδώ βλέπουμε τις χαρακτηριστικές που δίνει κατά τις βασικές DC προσομοιώσεις και μιλάμε και γενικότερα για τα διάφορα φαινόμενα που παρατηρούνται στην λειτουργία του.Το τρίτο κεφάλαιο αναφέρεται στην γλώσσα που θα χρησιμοποιηθεί για την περιγραφή του μοντέλου, την Verilog-A. Αναφέρονται τόσο γενικά της στοιχεία όσο και συγκεκριμένες, χαρακτηριστικές τις εντολές. Επίσης βλέπουμε παραδείγματα απλών στοιχείων για την καλλίτερη κατανόηση της δομής του κώδικα που απαιτείται να γραφθεί για την περιγραφή της συμπεριφοράς ενός στοιχείου.Ο βασικός κορμός του μοντέλου EKV που χρησιμοποιήσαμε παρουσιάζεται στο τέταρτο κεφάλαιο. Βλέπουμε μόνο την βασική του ιδέα και, πέραν των εξισώσεων που μας δίνουν τα φορτία στα διάφορα σημεία του στοιχείου, αποδεικνύουμε και την κύρια εξίσωση του μοντέλου, η οποία συνδέει το ρεύμα στο κανάλι με τις τάσεις στους ακροδέκτες του τρανζίστορ. Στο πέμπτο κεφάλαιο έχουμε το μοντέλο που αναπτύχθηκε στο πλαίσιο της διπλωματικής αυτής εργασίας. Αναλύονται όλα τα στοιχεία του κώδικα και εξηγούμε τον κώδικα γραμμή γραμμή για την καλλίτερη κατανόηση του. Τα αποτελέσματα που δίνει αυτό το μοντέλο και οι χαρακτηριστικές του φαίνονται στο επόμενο (έκτο) κεφάλαιο.Στο τελευταίο μέρος (έβδομο κεφάλαιο) έχουμε τα αποτελέσματα των πειραματικών μας μετρήσεων και βλέπουμε κατά πόσο αυτά μπορούν να προσεγγιστούν από το μοντέλου που αναπτύχθηκε. Στον επίλογο αναφέρουμε τα συμπεράσματα μας και τις σκέψεις μας για τις προοπτικές του μοντέλου