1、 集成電路設(shè)計(jì)集成電路設(shè)計(jì)2第三章第三章 集成電路器件模型集成電路器件模型41235二極管模型二極管模型雙極型晶體管模型雙極型晶體管模型MOS晶體管模型晶體管模型JFET模型、模型、 MESFET模模型型無(wú)源器件模型無(wú)源器件模型6噪聲模型噪聲模型3器件模型器件模型電路中的有源器件用模型描述該器件的特性。電路中的有源器件用模型描述該器件的特性。器件模型是根據(jù)器件的端電壓和端電流的關(guān)系器件模型是根據(jù)器件的端電壓和端電流的關(guān)系，利用數(shù)學(xué)方程、等效電路以及工藝數(shù)據(jù)擬合，利用數(shù)學(xué)方程、等效電路以及工藝數(shù)據(jù)擬合等方法來(lái)描述器件的功能和性能，是集成電路等方法來(lái)描述器件的功能和性能，是集成電路設(shè)計(jì)中對(duì)器件功能

2、和性能進(jìn)行模擬驗(yàn)證的重要設(shè)計(jì)中對(duì)器件功能和性能進(jìn)行模擬驗(yàn)證的重要依據(jù)。依據(jù)。電路模擬結(jié)果是否符合實(shí)際情況，主要取決于電路模擬結(jié)果是否符合實(shí)際情況，主要取決于器件模型是否正確，特別是采用的模型參數(shù)是器件模型是否正確，特別是采用的模型參數(shù)是否真正代表實(shí)際器件的特性。否真正代表實(shí)際器件的特性。不同的電路模擬軟件中采用的模型不完全相同不同的電路模擬軟件中采用的模型不完全相同，模型參數(shù)的名稱和個(gè)數(shù)也不盡相同。，模型參數(shù)的名稱和個(gè)數(shù)也不盡相同。4器件模型越精確，電路模擬效果越好，但是計(jì)器件模型越精確，電路模擬效果越好，但是計(jì)算量也越大，因此應(yīng)折衷考慮。對(duì)同一種器件算量也越大，因此應(yīng)折衷考慮。對(duì)同一種器件，

3、往往提出幾種模型。，往往提出幾種模型。學(xué)習(xí)中應(yīng)該掌握模型參數(shù)的含義，特別應(yīng)注意學(xué)習(xí)中應(yīng)該掌握模型參數(shù)的含義，特別應(yīng)注意每個(gè)模型參數(shù)的作用特點(diǎn)，即在不同的電路特每個(gè)模型參數(shù)的作用特點(diǎn)，即在不同的電路特性分析中必需考慮哪些模型參數(shù)。性分析中必需考慮哪些模型參數(shù)。每個(gè)模型參每個(gè)模型參數(shù)均有內(nèi)定值。除了描述基本直流模型的幾個(gè)數(shù)均有內(nèi)定值。除了描述基本直流模型的幾個(gè)參數(shù)外，其他模型參數(shù)如果采用內(nèi)定值，相當(dāng)參數(shù)外，其他模型參數(shù)如果采用內(nèi)定值，相當(dāng)于不考慮相應(yīng)的效應(yīng)。于不考慮相應(yīng)的效應(yīng)。如果采用模擬軟件附帶的模型參數(shù)庫(kù)，當(dāng)然不如果采用模擬軟件附帶的模型參數(shù)庫(kù)，當(dāng)然不存在任何問(wèn)題。如果采用模型參數(shù)庫(kù)中未包括存

4、在任何問(wèn)題。如果采用模型參數(shù)庫(kù)中未包括的器件，如何比較精確地確定該器件的模型參的器件，如何比較精確地確定該器件的模型參數(shù)將是影響電路模擬結(jié)果的關(guān)鍵問(wèn)題。數(shù)將是影響電路模擬結(jié)果的關(guān)鍵問(wèn)題。5一、二極管模型一、二極管模型集成電路和半導(dǎo)體器件的各類特性都是集成電路和半導(dǎo)體器件的各類特性都是PN結(jié)相互作用的結(jié)果，它是微電子器件結(jié)相互作用的結(jié)果，它是微電子器件的基礎(chǔ)。的基礎(chǔ)。通過(guò)某種方法使半導(dǎo)體中一部分區(qū)域?yàn)橥ㄟ^(guò)某種方法使半導(dǎo)體中一部分區(qū)域?yàn)镻型，另一部分區(qū)域?yàn)樾?，另一部分區(qū)域?yàn)镹型，則在其交界面型，則在其交界面就形成了就形成了PN結(jié)。結(jié)。以以PN結(jié)構(gòu)成的二極管最基本的電學(xué)行為結(jié)構(gòu)成的二極管最基本的電學(xué)

5、行為是具有單向?qū)щ娦?。是具有單向?qū)щ娦浴?Cj和和Cd分別代表分別代表PN結(jié)的勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容。結(jié)的勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容。RS代表從代表從外電極到結(jié)的路徑上通常是半導(dǎo)體材料的電阻，稱之為體外電極到結(jié)的路徑上通常是半導(dǎo)體材料的電阻，稱之為體電阻。電阻。 SDDRIVV1DSDtVnVIIeqkTVtm0Dj0j1VVCCtDDVnIdVdIdVdQCDDDDd二極管等效電路模型二極管等效電路模型 7二極管模型參數(shù)二極管模型參數(shù)參數(shù)名參數(shù)名符號(hào)符號(hào)Spice名名單位單位缺省值缺省值飽和電流飽和電流ISISA1.010-14發(fā)射系數(shù)發(fā)射系數(shù)nN-1串聯(lián)體電阻串聯(lián)體電阻RSRS 0渡越時(shí)間渡越時(shí)間 D

6、TTs0零偏勢(shì)壘電容零偏勢(shì)壘電容Cj0CJ0F0梯度因子梯度因子mM-0.5PN結(jié)內(nèi)建勢(shì)壘結(jié)內(nèi)建勢(shì)壘V0VJV18二、雙極晶體管模型二、雙極晶體管模型 SPICE中的雙極型晶體管常用兩種物理中的雙極型晶體管常用兩種物理模型，兩種模型參數(shù)能較好地反映物理模型，兩種模型參數(shù)能較好地反映物理本質(zhì)且易于測(cè)量。本質(zhì)且易于測(cè)量。EM （Ebers-Moll）模型：）模型：1954年由年由J.J.Ebers和和J.L.Moll提出。提出。GP （ Gummel-Poon）模型：）模型： 1970年由年由HKGummel和和HCPoon提出。提出。9雙極型晶體管雙極型晶體管EM模型模型10EM模型模型 將電流

7、增益作為頻率的函數(shù)來(lái)將電流增益作為頻率的函數(shù)來(lái)處理，對(duì)計(jì)算晶體管存貯效應(yīng)處理，對(duì)計(jì)算晶體管存貯效應(yīng)和瞬態(tài)特性不方便。和瞬態(tài)特性不方便。改進(jìn)的改進(jìn)的EM模型采用電荷控制模型采用電荷控制觀點(diǎn)，增加電容到模型中。觀點(diǎn)，增加電容到模型中。進(jìn)一步考慮到發(fā)射極、基極和進(jìn)一步考慮到發(fā)射極、基極和集電極串聯(lián)電阻，以及集成電集電極串聯(lián)電阻，以及集成電路中集電結(jié)對(duì)襯底的電容，于路中集電結(jié)對(duì)襯底的電容，于是得到是得到EM2模型。模型。NPNEM直流模型直流模型11EM2模型模型 (1)(1)BCBEttVVVVSCSRIIIee(1)(1)BCBEttVVVVSESFIIeIe 0BCECEBEBCIIIVVVEM

8、大信號(hào)模型大信號(hào)模型12EM小信號(hào)等效電路小信號(hào)等效電路 CQCmFQBEtIdIgdVV0mFrg1CEoCmFVrIg1tAFAFkTVVqVEQEmRBCtIdIgdVV00CEBVrrI基區(qū)寬度調(diào)制效基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)參數(shù)歐拉電壓應(yīng)參數(shù)歐拉電壓13雙極型體管雙極型體管GP模型模型14與與EM模型相比，模型相比，GP模型增加以下幾個(gè)物理效應(yīng)：模型增加以下幾個(gè)物理效應(yīng)： 小電流時(shí)小電流時(shí)值下降值下降大注入效應(yīng)，改善了高電平下的伏安特性大注入效應(yīng)，改善了高電平下的伏安特性基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)：改善了輸出電導(dǎo)、電流增益和特征基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)：改善了輸出電導(dǎo)、電流增益和特征頻率，反映了共射極電流放大倍

9、數(shù)頻率，反映了共射極電流放大倍數(shù)隨電流和電壓的變隨電流和電壓的變化化發(fā)射系數(shù)的影響發(fā)射系數(shù)的影響基極電阻隨電流變化基極電阻隨電流變化正向渡越時(shí)間正向渡越時(shí)間F隨集電極電流隨集電極電流IC的變化，解決了在大注的變化，解決了在大注入條件下由于基區(qū)展寬效應(yīng)使特征頻率入條件下由于基區(qū)展寬效應(yīng)使特征頻率fT和和IC成反比的成反比的特性。特性。模型參數(shù)和溫度的關(guān)系。模型參數(shù)和溫度的關(guān)系。1.根據(jù)橫向和縱向雙極晶體管的不同，外延層電荷存儲(chǔ)引根據(jù)橫向和縱向雙極晶體管的不同，外延層電荷存儲(chǔ)引起的準(zhǔn)飽和效應(yīng)。起的準(zhǔn)飽和效應(yīng)。雙極型晶體管雙極型晶體管GP模型模型15GP直流模型直流模型 16GP大信號(hào)模型大信號(hào)模型

10、GP大信號(hào)模型與大信號(hào)模型與EM大信號(hào)模型類似，大信號(hào)模型類似，引入修正內(nèi)容：引入修正內(nèi)容：集電結(jié)電容分布特性：劃分為兩個(gè)電容集電結(jié)電容分布特性：劃分為兩個(gè)電容渡越時(shí)間隨偏置的變化：大電流時(shí)渡越時(shí)間隨偏置的變化：大電流時(shí)F不再是不再是常數(shù)常數(shù)基區(qū)中的分布現(xiàn)象基區(qū)中的分布現(xiàn)象17GP小信號(hào)模小信號(hào)模型與型與EM小信小信號(hào)模型十分一號(hào)模型十分一致，只是參數(shù)致，只是參數(shù)的值不同。的值不同。GP小信號(hào)模型小信號(hào)模型18雙極型晶體管雙極型晶體管SPICE模型參數(shù)模型參數(shù)參數(shù)名參數(shù)名公式中符號(hào)公式中符號(hào)SPICE中符號(hào)中符號(hào)單位單位SPICE默認(rèn)值默認(rèn)值飽和電流飽和電流ISISA1016理想最大正向電流增

11、益理想最大正向電流增益FBF100理想最大反向電流增益理想最大反向電流增益RBR1正向厄利（歐拉）電壓正向厄利（歐拉）電壓VAFVAFV反向厄利（歐拉）電壓反向厄利（歐拉）電壓VARVARV基極基極-發(fā)射極結(jié)梯度因子發(fā)射極結(jié)梯度因子mEMJE0.33基極基極-集電極結(jié)梯度因子集電極結(jié)梯度因子mCMJC0.33襯底結(jié)指數(shù)因子襯底結(jié)指數(shù)因子msMJS0.0基極基極-發(fā)射極內(nèi)建電勢(shì)發(fā)射極內(nèi)建電勢(shì)VE0VJEV0.75基極基極-集電極內(nèi)建電勢(shì)集電極內(nèi)建電勢(shì)V C0VJCV0.75襯底結(jié)內(nèi)建電勢(shì)襯底結(jié)內(nèi)建電勢(shì)V S0VJSV0.7519三、三、MOSFET模型模型常用的幾種常用的幾種MOSFET模型模型

12、Level=1Shichman-Hodges Level=2基于幾何圖形的分析模型基于幾何圖形的分析模型 Grove-Frohman Model (SPICE 2G)Level=3半經(jīng)驗(yàn)短溝道模型半經(jīng)驗(yàn)短溝道模型 (SPICE 2G)Level=49 BSIM3V3BSIM, 3rd, Version 3Level=50 Philips MOS920MOSFET一級(jí)模型一級(jí)模型又稱又稱MOS1模型，這是最簡(jiǎn)單的模型，適模型，這是最簡(jiǎn)單的模型，適用于手工計(jì)算。當(dāng)用于手工計(jì)算。當(dāng)MOS器件的柵長(zhǎng)和柵器件的柵長(zhǎng)和柵寬大于寬大于10m、襯底摻雜低，而我們又需、襯底摻雜低，而我們又需要一個(gè)簡(jiǎn)單的模型時(shí)，

13、那么由要一個(gè)簡(jiǎn)單的模型時(shí)，那么由Shichman和和Hodges提出的提出的MOS1模型是適合的。模型是適合的。21MOSFET一級(jí)模型一級(jí)模型(Level=1)MOS1模型包括了模型包括了漏區(qū)和源區(qū)的串聯(lián)漏區(qū)和源區(qū)的串聯(lián)電阻電阻rD和和rS，兩個(gè)，兩個(gè)襯底襯底PN結(jié)和結(jié)電容結(jié)和結(jié)電容CBS、CBD，反映電，反映電荷存儲(chǔ)效應(yīng)的三個(gè)荷存儲(chǔ)效應(yīng)的三個(gè)非線性電容非線性電容CGB、CGS和和CGD以及受控以及受控電流源電流源IDS。 22MOSFET一級(jí)模型一級(jí)模型(Level=1)描述描述I和和V的平方率特性的平方率特性, 它考慮了襯底它考慮了襯底調(diào)制效應(yīng)和溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)調(diào)制效應(yīng)和溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)

14、:dsdsdsthgsdsVVVVVI1212dsthgsdsVVVI122DLLWKPLWKP0KP= Cox本征跨導(dǎo)參數(shù)本征跨導(dǎo)參數(shù)Cox = ox/Tox單位面積的柵氧化層電容單位面積的柵氧化層電容LO有效溝道長(zhǎng)度有效溝道長(zhǎng)度, L版圖柵長(zhǎng)版圖柵長(zhǎng), LD溝道橫向擴(kuò)散長(zhǎng)度溝道橫向擴(kuò)散長(zhǎng)度非飽和區(qū)非飽和區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)MOSFET電流方程模型電流方程模型23MOSFET一級(jí)模型一級(jí)模型(Level=1)（續(xù)）（續(xù)）MOSFET的閾值電壓的閾值電壓Vth本質(zhì)上由柵級(jí)上本質(zhì)上由柵級(jí)上的電荷的電荷, 絕緣層中的電荷和溝道區(qū)電荷之絕緣層中的電荷和溝道區(qū)電荷之間的平衡決定間的平衡決定FbsFTOthV

15、VV22FFFBTOVV22subosioxNqC21VTO： Vbs=0時(shí)的閾值電壓時(shí)的閾值電壓Vbs：襯底到源區(qū)的偏壓：襯底到源區(qū)的偏壓 ：體效應(yīng)閾值系數(shù)，反映了體效應(yīng)閾值系數(shù)，反映了Vth隨襯隨襯-源偏置源偏置 Vbs的變化。的變化。24isubtFnNlnVVFB = MS QSS/COX NSUB為襯底為襯底(阱阱)摻雜濃度摻雜濃度, 它也決定了體內(nèi)費(fèi)米勢(shì)它也決定了體內(nèi)費(fèi)米勢(shì) F當(dāng)半導(dǎo)體表面的費(fèi)米勢(shì)等于當(dāng)半導(dǎo)體表面的費(fèi)米勢(shì)等于 F時(shí)，半導(dǎo)體表面處于強(qiáng)反型時(shí)，半導(dǎo)體表面處于強(qiáng)反型, 此時(shí)表面勢(shì)此時(shí)表面勢(shì) PHI=2 Fn型反型層型反型層 PHI0, p型反型層型反型層 PHI0 VFB

16、稱之為平帶電壓稱之為平帶電壓, 它是使半導(dǎo)體表面能帶和體內(nèi)能帶拉它是使半導(dǎo)體表面能帶和體內(nèi)能帶拉平而需在平而需在 柵級(jí)上所加的電壓柵級(jí)上所加的電壓. MS為柵金屬與半導(dǎo)體硅的功函數(shù)之差除以電子電荷為柵金屬與半導(dǎo)體硅的功函數(shù)之差除以電子電荷. 其數(shù)值其數(shù)值與硅的摻雜類型與硅的摻雜類型, 濃度以及柵金屬材料有關(guān)濃度以及柵金屬材料有關(guān).25MOSFET一級(jí)模型一級(jí)模型(Level=1)(續(xù)續(xù)) 柵材料類型由模型參數(shù)柵材料類型由模型參數(shù)TPG決定決定. 柵氧化層與硅半導(dǎo)體的表面電荷密度柵氧化層與硅半導(dǎo)體的表面電荷密度QSS=qNSSNSS為表面態(tài)密度為表面態(tài)密度, 其模型參數(shù)為其模型參數(shù)為NSS.N溝

17、道硅柵增強(qiáng)型溝道硅柵增強(qiáng)型MOSFET: VFB -1.2V, PHI 0.6VN溝道硅柵耗盡型溝道硅柵耗盡型MOSFET: VFB -0.6 0.8V 模型參數(shù)模型參數(shù)LAMBDA( )為溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù)為溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù). 其物理意其物理意義為義為MOSFET進(jìn)入飽和區(qū)后單位漏進(jìn)入飽和區(qū)后單位漏-源電壓引起的溝道源電壓引起的溝道長(zhǎng)度的相對(duì)變化率長(zhǎng)度的相對(duì)變化率.26MOSFET一級(jí)模型直流特性涉及的模型參數(shù)一級(jí)模型直流特性涉及的模型參數(shù)參數(shù)符號(hào)參數(shù)符號(hào)SPICE名名說(shuō)明說(shuō)明VTOVTO襯底零偏置時(shí)源閾值電壓襯底零偏置時(shí)源閾值電壓KPKP本征跨導(dǎo)參數(shù)本征跨導(dǎo)參數(shù)GAMMA體效應(yīng)閾值系數(shù)體效應(yīng)

18、閾值系數(shù)2FPHI強(qiáng)反型時(shí)的表面勢(shì)壘高度強(qiáng)反型時(shí)的表面勢(shì)壘高度LAMBDA溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù)溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù)o/nUO表面遷移率表面遷移率L溝道長(zhǎng)度溝道長(zhǎng)度LDLD溝道長(zhǎng)度方向上橫向擴(kuò)散長(zhǎng)度溝道長(zhǎng)度方向上橫向擴(kuò)散長(zhǎng)度W溝道寬度溝道寬度 TOXTOX柵氧化層厚度柵氧化層厚度TPG柵材料類型柵材料類型NSUBNSUB襯底襯底(阱阱)摻雜濃度摻雜濃度NSSNSS表面態(tài)密度表面態(tài)密度27VTO, KP, GAMMA, PHI, LAMBDA是是 器件參數(shù)器件參數(shù).TOX, TPG, NSUB, NSS是工藝參數(shù)是工藝參數(shù).若用戶僅給出了工藝參數(shù)若用戶僅給出了工藝參數(shù), SPICE會(huì)計(jì)算出相應(yīng)的器件參數(shù)會(huì)

19、計(jì)算出相應(yīng)的器件參數(shù).IS:襯底結(jié)飽和電流襯底結(jié)飽和電流(省缺值為省缺值為0)JS襯底結(jié)飽和電流密度襯底結(jié)飽和電流密度N:襯底襯底PN結(jié)發(fā)射系數(shù)結(jié)發(fā)射系數(shù)AS:源區(qū)面積源區(qū)面積PS:源區(qū)周長(zhǎng)源區(qū)周長(zhǎng)AD:漏區(qū)面積漏區(qū)面積PD:漏區(qū)周長(zhǎng)漏區(qū)周長(zhǎng)JSSW:襯底襯底PN結(jié)側(cè)壁單位長(zhǎng)度的電流結(jié)側(cè)壁單位長(zhǎng)度的電流MOSFET一級(jí)模型直流特性涉及的模型參數(shù)一級(jí)模型直流特性涉及的模型參數(shù)28/1bstVNVbsssIIe/1bdtVNVbddsIIeIss= AS JS + PS JSSWIds= AD JS + PD JSSWIb=Ibs + Ibd上列上列8個(gè)參數(shù)用于計(jì)算個(gè)參數(shù)用于計(jì)算1) 襯底電流襯底

20、電流2) 襯襯-源源PN結(jié)漏電流結(jié)漏電流3) 襯襯-漏漏PN結(jié)漏電流結(jié)漏電流其中其中,MOSFET一級(jí)模型直流特性涉及的模型參數(shù)一級(jí)模型直流特性涉及的模型參數(shù)29MOSFET二級(jí)模型二級(jí)模型又稱又稱MOS2模型，模型，LEVEL2的的MOS2模型在模型在MOS1模型基礎(chǔ)上考慮了一些二階模型基礎(chǔ)上考慮了一些二階效應(yīng)，提出了短溝道或窄溝道效應(yīng)，提出了短溝道或窄溝道MOS管的管的模型，又被稱為二維解析模型。模型，又被稱為二維解析模型。 30MOSFET二級(jí)模型二級(jí)模型 MOS2模型考慮的二階效應(yīng)主要包括：模型考慮的二階效應(yīng)主要包括：（1）溝道長(zhǎng)度對(duì)閾值電壓的影響）溝道長(zhǎng)度對(duì)閾值電壓的影響（2）漏柵靜

21、電反饋效應(yīng)對(duì)閾值電壓的影響）漏柵靜電反饋效應(yīng)對(duì)閾值電壓的影響（3）溝道寬度對(duì)閾值電壓的影響）溝道寬度對(duì)閾值電壓的影響（4）遷移率隨表面電場(chǎng)的變化）遷移率隨表面電場(chǎng)的變化（5）溝道夾斷引起的溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)）溝道夾斷引起的溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)（6）載流子漂移速度限制而引起的電流飽）載流子漂移速度限制而引起的電流飽和效應(yīng)和效應(yīng)31MOSFET三級(jí)模型三級(jí)模型又稱又稱MOS3模型，模型，MOS3模型是一個(gè)半經(jīng)模型是一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，適用于短溝道器件。驗(yàn)?zāi)Ｐ?，適用于短溝道器件。 精確描述各種二級(jí)效應(yīng)精確描述各種二級(jí)效應(yīng), 又節(jié)省計(jì)算時(shí)間。計(jì)算公式中又節(jié)省計(jì)算時(shí)間。計(jì)算公式中考慮了考慮了漏源電源引起的表面勢(shì)壘

22、降低而使閾值電漏源電源引起的表面勢(shì)壘降低而使閾值電 壓壓下降的靜電反饋效應(yīng)下降的靜電反饋效應(yīng).短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)對(duì)閾值電壓的影響短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)對(duì)閾值電壓的影響.載流子極限漂移速度引起的溝道電流飽和效載流子極限漂移速度引起的溝道電流飽和效應(yīng)應(yīng)表面電場(chǎng)對(duì)載流子遷移率的影響表面電場(chǎng)對(duì)載流子遷移率的影響.沿溝道方向沿溝道方向(Y方向方向)的閾值電壓半經(jīng)驗(yàn)公式的閾值電壓半經(jīng)驗(yàn)公式:32MOSFET三級(jí)模型三級(jí)模型半經(jīng)驗(yàn)短溝道模型半經(jīng)驗(yàn)短溝道模型(Level=3)(2)(22)(YVVFYVVFVVYVbsFNbsFsDSFFBt33半經(jīng)驗(yàn)短溝道模型半經(jīng)驗(yàn)短溝道模型(Level=3)(續(xù)續(xù))靜

23、電反饋系數(shù)靜電反饋系數(shù) ETA是模擬靜電反饋效應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)是模擬靜電反饋效應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù).載流子載流子 s隨隨VGS而變化而變化 THETA稱之為遷移率調(diào)制系數(shù)稱之為遷移率調(diào)制系數(shù), 是模型參數(shù)是模型參數(shù).溝道長(zhǎng)度調(diào)制減小量溝道長(zhǎng)度調(diào)制減小量 L的的 半經(jīng)驗(yàn)公式為半經(jīng)驗(yàn)公式為: k稱之為飽和電場(chǎng)系數(shù)稱之為飽和電場(chǎng)系數(shù), 模型參數(shù)為模型參數(shù)為KAPPA. 與與MOS2模型相比，模型相比， MOS3模型引入三個(gè)新的模型參數(shù)為模型引入三個(gè)新的模型參數(shù)為:ETA, THETA, KAPPA。除此之外除此之外, MESFET三級(jí)模型中的閾值電壓三級(jí)模型中的閾值電壓, 飽飽和電壓和電壓, 溝道調(diào)制效

24、應(yīng)和漏源電流表達(dá)式等都是半經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式溝道調(diào)制效應(yīng)和漏源電流表達(dá)式等都是半經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式.2238.15 10oxETAC L11(0)sGSTTHETA VV222222pDpDDdsDsatE XE XLkXVV 34MOSFET49級(jí)模型級(jí)模型(Level=49, BSIM3V3 Berkeley short-channel IGFET model ) 1995年年10月月31日由加州柏克萊分校推出，基于物理的日由加州柏克萊分校推出，基于物理的深亞微米深亞微米MOSFET模型，可用于模擬和數(shù)字電路模擬。模型，可用于模擬和數(shù)字電路模擬。(1) 閾值電壓下降閾值電壓下降,(2) 非均勻摻雜效應(yīng)非均

25、勻摻雜效應(yīng),(3) 垂直電場(chǎng)引起的遷移率下降垂直電場(chǎng)引起的遷移率下降,(4) 載流子極限漂移速度引起的載流子極限漂移速度引起的 溝道電流飽和效應(yīng)溝道電流飽和效應(yīng)(5) 溝道長(zhǎng)度調(diào)制溝道長(zhǎng)度調(diào)制(6) 漏源電源引起的表面勢(shì)壘降低而使閾值電壓下降的靜電反漏源電源引起的表面勢(shì)壘降低而使閾值電壓下降的靜電反饋效應(yīng)饋效應(yīng).(7) 襯底電流引起的體效應(yīng)襯底電流引起的體效應(yīng)(8) 亞閾值導(dǎo)通效應(yīng)亞閾值導(dǎo)通效應(yīng)(9) 寄生電阻效應(yīng)寄生電阻效應(yīng)35MOSFET49級(jí)模型級(jí)模型(Level=49, BSIM3V3) 共有共有166(174)個(gè)參數(shù)個(gè)參數(shù)! 67個(gè)個(gè)DC 參數(shù)參數(shù) 13個(gè)個(gè)AC 和電容參數(shù)和電容參數(shù)

26、 2個(gè)個(gè)NQS模型參數(shù)模型參數(shù) 10個(gè)溫度參數(shù)個(gè)溫度參數(shù) 11個(gè)個(gè)W和和L參數(shù)參數(shù) 4個(gè)邊界參數(shù)個(gè)邊界參數(shù) 4個(gè)工藝參數(shù)個(gè)工藝參數(shù) 8個(gè)噪聲模型參數(shù)個(gè)噪聲模型參數(shù) 47二極管二極管, 耗盡層電容和電阻參數(shù)耗盡層電容和電阻參數(shù) 8個(gè)平滑函數(shù)參數(shù)個(gè)平滑函數(shù)參數(shù)(在在3.0版本中版本中)36飛利浦飛利浦MOSFET模型模型(Level=50)共有共有72個(gè)模型參數(shù)個(gè)模型參數(shù).最適合于對(duì)模擬電路進(jìn)行模擬最適合于對(duì)模擬電路進(jìn)行模擬.37不同不同MOSFET模型應(yīng)用場(chǎng)合模型應(yīng)用場(chǎng)合Level 1 簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單MOSFET模型，適用于長(zhǎng)溝道器件模型，適用于長(zhǎng)溝道器件Level 2 2 m 器件模擬分析器件模擬分

27、析Level 3 0.9 m 器件數(shù)字分析器件數(shù)字分析BSIM 10.8 m 器件數(shù)字分析器件數(shù)字分析BSIM 20.3 m 器件模擬與數(shù)字分析器件模擬與數(shù)字分析BSIM 30.5 m 器件模擬分析與器件模擬分析與0.1 m 器件數(shù)字分析器件數(shù)字分析Level=6 亞微米離子注入器件亞微米離子注入器件Level=50 小尺寸器件模擬電路分析小尺寸器件模擬電路分析 Level=11 SOI（絕緣層上硅）器件（絕緣層上硅）器件 對(duì)電路設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)對(duì)電路設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō), 采用什么模型參數(shù)在很大程度上還采用什么模型參數(shù)在很大程度上還取決于能從相應(yīng)的工藝制造單位得到何種模型參數(shù)取決于能從相應(yīng)的工藝制造單位得到

28、何種模型參數(shù).38例例.MODEL CMOSN NMOS ( LEVEL= 49+VERSION= 3.1TNOM= 27TOX= 7.6E-9+XJ= 1E-7NCH= 2.3579E17VTH0= 0.5085347+K1= 0.5435268K2= 0.0166934K3= 2.745303E-3+K3B= 0.6056312W0= 1E-7 NLX= 2.869371E-7+DVT0W= 0 DVT1W= 0DVT2W= 0+DVT0= 1.7544494DVT1= 0.4703288DVT2=0.0394498+U0= 489.0696189UA= 5.339423E-10UB=1.548022E-18+UC= 5.795283E-11VSAT= 1.191395E5A0= 0.8842702+AGS= 0.1613116B0= 1.77474E-6B1= 5E-6+KETA= 5.806511E-3A1= 0A2= 1臺(tái)積電公司某一批臺(tái)積電公司某一批0.35 m CMOS工藝工藝NMOS器件的器件的Star-HSpice參數(shù)參數(shù)(命名為命名為CMOSN的的NMOS模型庫(kù)模型庫(kù)Spice文件文件)39+RDSW= 1.88264E3PRWG= -0.105799PRWB= -0.01520