（微电子学与固体电子学专业论文）高压mosfet的bsim3+iv模型研究与改进.pdf

学位论文独创性声明 本人所呈交的学彼论文是我在导师的指导下进行的研究工傺及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成莱。对本文的研究做出熏要贡献盼个人辩集体，均己在 文孛嚣了骧确援骧共表苯谢意。 作者签名：日期：竺! ：鱼 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留学位论文并向国家主管部门绒其指定税构送交论文的电子敝藕纸质舨。有权 擦学缀论文用予l 赢利嚣戆戆少量复裁并竞诲论文进入举校图书馆被查凝。有 权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要 汇编出版。保密的学位论文在解密后滔用本规窳。 学位论文作者撼名：佟 日期：驴萨。 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n t0 fv e r y l a r g e s c a i e - i n t e q r a t e d - c i r c u ( v l s l ) ，t h ei n t e g r 时d e n s 陀yo fi t i s i n c r e a s l n ga n dn e wr e q u l r e m e n t sa 广e d e m a n d e df o rd e s i g n 呐qa n dp r o c e s st e c h n o i o g vo fv l s lw h ；c hi n c i u d et h e h 旧hv o l t a q ei n t e g r a t e dc i r c u i t s ( h vi c ) h vi ci sl cw h i c hi n t e g r a t e sh 岫h v o i t a a ed e v i c e s ( h vd e v i o e s ) a n dl o wv o l l a g ec o n t r o ic i r c u 瓞i nas i n g l ec h i p r e s e a r c ha n dd e v e i o p m e n to fh vi ci n c l u d e sd e v e i o p m e n to fh vd e v i c e s 、 p r d c e s st e c n n o l o g ya n dd e s f g n i n g a m o n g 廿1 e mt n ed e s i g n l n ga n ds i m uj a t f n g o fh vi c sp i a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h ep r o c e s so fh vi cd e s i g n i n g w i t hh l 口ht e c h n o l o q vd e v e l o p e di ne d a ( e l e c t r o n i cd e s 旧na u t o m a t i o n ) ， d e s i g na u i o m a t i o na n ds i m u i a t i o nb e c o m et h en e c e s s a 广yt o o ii nd e v e i o p m g d r o c e s st e c h n o i o g ya n df h e o o fs e m i c o n d u c t o rd e v i c e s t h e yc a ne 仟e c t i v e i y s h o r t e nt h et i m eo ff i o w m o r e o v e rb e c a u s eo ft h et i n ye x p e n s eo fc o m p u t e r s a n ds o f t w a r eu s e df o re d ac o m p a r e dt ot h ee q u i p m e n t s0 fi cf a b r l c a t i o nf h e y c a nd i m i n i s ht h ec o s ti naq r e a te ) ( t e n t h o w e v e rt h e r ea r ef l a w si ni c s i m u i a t i o nd e v i a t i o n se x i s tb e t w e e ns i m u l a “o n sa n da c t u a im e a s u r e m e n t si n d a t a e s p e c i a yt h ed a t ao fh i g h v o l t a g el i g h t i y - d o p e d d r a i nm o s f e td e v i c e s ( h vm o s f e t ) t h u st h em o d e io fh vm o s f e ti s i nn e e do f f ur t h e r o d t i m i z a t i o na n dc o r r e c t i o n t h i sp a p e rp r e s e n t san e wt e c h n i q u ef o rm o d e n gh vm o s f e l _ w h i c hi s w i d e l yu s e di nh i g hv o i t a g ei c s i no r d e rl oi m p r o v et h eb s i m 3 v 3s pj c e m o d e li nm o d e i i n gh vm o s f e t ，1 vm e a s u 悖m e n t s0 nh vm o s f e th a v e b e e nm a d eb ya q i i e n ti o e a ps y s t e mb a s e do nt h ed i 仟e r e n c eb e t w e e nh v m o s f e ta n dn o r m a il o wv o l t a g em o s f e td e v i c e s ( l vm o s f e t ) ，t h er d d e p e n d e n c yo fv a s 、v d sa n d ，k si sd i s c u s s e da n dt h er aa n dv d s a te q u a l i o n sj n t h eb s i m 3 v 3m o d e ih a v eb e e no p t i m i z e d a sa i | 0 r i g i n a ip a r a m e t e r sm a i n t a i n t w op a r a m e t e r sa r el e di n ：o n ei sg a t eb i a sq u a dr i cc o e f f i c i e n to fr d s w ( p m 9 2 ) a n da n o t h e ri sg a t eb i a sc o e f f i c i e n to fv d s a l ( 6 ) t h eo p “m i z a l i o nh a sb e e n r e a l i z e db ym o d i i n gf r e es p i c ea n db s i m 3 v 3s o u r c ec o d ea n dc o m p i i i n g t h e mi n f oas i m u l a t o ru s i n al o c a pt oi n v o k et h es i m u i a t ora n ds i m u i a t e t h e i vs i m u l a t e dd a t ao fh vm o s f e ta 舱r 口a r a m e t e r se ) ( t r a c t i o n 啊tt h em e a s u r e d r e s u l t sv e r yw e u s i n gt h i sn e wo p t i m i z e dh vm o s f e tb s i m 3m o d e l ，h i g h v o i t a 口ei n l e q r a t e dc i r c u i l sw 1 hh vm o s f e t c a nb es i m u l a t e da c c u r a t e l y k e yw o r d s ：b s i m 3m o d e l ，s p i c e ， i 、，m o sd e v i c e s ，p a r 锄e t e re x t r a c t i o n ， c u r v ef i t t i n g 摘要 随着集成电貉飞速发展帮集成电路翻造工艺求平静提高，芯片瀚集成度越来 越离，同时也对新的集成电路设计与制造提出了更高的要求，其中包括廊用日益 广泛的高蓬粲藏电魏。高压袋戒电路怒将高嚣器件和低压控铡电蘸集戏在同一蕊 片上的集成电路。高压集成电路的研究与发展，主要是高压器件、高压集成电路 上艺隧及竣专 蔹拳的发震，其中与常篾c m 0 s 工艺稳兼褰裹蓬瓣s 最俘营( h 曲 v 0 1c a g em o s f e t 简称 i vm o s f e t ) 的设计与仿真是高压集成电路设计的关键。 睫羞计簿专f t 辕助设诗软件的发震，电路模撅与镑囊成巍1 0 篙造王艺和器转 研究中不可戚缺的工具。它们能有效缩短流片的实验周期，并且很大程度上降低 毙大的i c 制造戏夺。但是爨翦高压集成电路仿真l 运存在巢些不足，傍真结袋 与测量值的偏差还需要进一步校正。这其中h vm o s 晶体管模型的仿真特性与实 际测试情况磐别较火，需要遴一步优化以提离其精确程度，使其与实鼯实验中的 h v 瀚s 晶体管特性栩符合。 论文中针对s p i c eb s i m 3 模型在对大量应用于高压集成电路中的h vm o s f e t 建模上镌不是，提粥了基于豁i 挺3 豹离压潲s 晶体管l v 模型改进。错究中采用 饔成熟的0 3 5um1 4 vh vm o s 工芑对d o u b i ed i 仟u s e d0 r a i n 结构的h v m o s f e t 逡行了实验流片，磬谈嚣船j l e 醣 c c 解灏量系统在对睾袋的不弼几 何尺、r 的h v m 0 s f e t 进行大鬣的测量与数据采集，并分析其源漏电阻溅栅源、源 漏郄衬底电压鲢影嘲及与拣准上艺 羲匿鞋0 s 爨体管躲惹舅。 杓二保留b s i m 3 v 3 原有参数的同时创新性蚍针对b s i m 3 模型源代码中源漏电| j = | r 黝楣关参数算法疑出了藩进方案；增拥r 8 的二次搬压调制弱予p 。9 2 窝有效v 参数6 的栅压调制闭子6 。、6 。用于表征高v g s 时、，9 8 对于源漏寄生电阻的调制 效应，和h vm o s 短沟晶体篱v g s 对予6 的调制效应，改善b s l m 3m 0 s i ：e tiv 模 型农v g s 较离情况下与实际m o s f e t 特性的拟和情、缱。 在开放魄s p i c e 和b s i m 3 v 3 源代码上对模型库文件进毒予修改并实现了该优 化。仿真结聚表明采用改避艏的模型，在i c c a p 下的测量曲线与参数提取后的 卜v 仿真曲线十分吻台，该模型改进大大提高了b s i m 3i _ v 模型模拟 i vm 0 s 晶 俸管时的精确凄。 关键词：b s i m 3 横型，s p i c e ，h vm 0 s 晶体管，参数提取，曲线拟合 6 第一章绪言 1 1 高压集成电路与高压m o s f e t 随着科技发展，高压集成电路芯片和功率器件、功率集成电路逐渐得到越来 越广泛的应用。在汽车电子，通讯电路、整流电路、e e p r o m 电路、工业自动 化控制以及笔记本电脑、p d a 的电源管理芯片等其他许多包含电池控制的科技领 域有许多的低功率系统需要包含对高压信号的处理。 另外，许多电子产品的驱动电路也越来越多地采用高压集成电路，例如在换 能器的驱动模块、液晶l c d 驱动【1 1 ，t f t 闭驱动等方面。最高可承受的电压已 经达到工业电机驱动的1 2 0 0 v 。高压功率器件的广泛应用可以大量节省能源并起 到减少环境污染的作用。采用功率器件，可以保证消耗少量的能量米提供史岛输 出。它们因其低噪音、高效率、紧凑、重量轻、精度高、功能性高，以及容晕高 的优点而享誉各个市场。美国国际整流器公司( i r ) 首席执行官a i e xl i d o w 博士坝 测：“逐步地，所有的集成电路都会被集成在高压集成技术中的单芯片中，并具 有多种功能，如栅级驱动、电流检测、偏置控制等。”随着对计算机、服务器、 路由器、电信设各计算能力的要求越来越高，功率器件方面要求的功率密度也越 来越大。与此同时，数字电视、数字视频录像机等数字化电子产品将足仝球术来 的热点产品，在功能和处理能力不断提升的| _ j 时，对功率管理提出了更高的要求。 这也就意味着对高压集成电路：甚片的设计和制造提出了更高的要求。 目前，对于深亚微米制造工艺而言，集成电路的电路电源电压大都降低到了 33 v 或是1 v ，标准的5 v 输入输出电压或者高于5 v 的电路电源电源都被视为“高 电乐”。常见的高压器件结构有如下几种：d o u b l ed i 仟u s e dd r a i n ，s m a r t v o l t a q e e ) ( t e n s i o n ，与v d m o s 、l d m o s 等。对于常见标准的工作电压为5 v 的c m o s 制造工艺而言，如需实现高工作电压就需要在设计和工艺两方采用一些特殊 的手段。对于常见标准的工作电压为5 v 的c m o s 制造工艺而吉，实玑高廿i m o s f e t 的器件上通常有两种解决方法网：最直接的就是采用含有高压单元的 c m o s 工艺。增加若干道光刻及注入工序。其缺点是成本较高；另外一种方法 是保持原低压工艺流程及参数不作任何调整，通过特殊的版图设计规则( l a v o u t d e s i g nr u i e s ) 或插入新的高压工艺模块来得到高压器件。后者除了经济上的 优势以外由于未对原有工艺流程及参数f ：修改，那么低址器件也就保持丁原f j 特性。原有的低j 盘器件e d a 软件模型参数及标准单元库仍可照常使用。这样就人 大降低了成本并给予设计者更大弹性。 本文所涉及的高压i c 即浆用在保留原低压工艺流程和参数的同时，采用特殊 翡蹶圈设诗瓣列并撬入瑟静麓压工艺模块豹方法采实溪毫簦嚣箨。l c 中瓣裹垂瓣 件采用d o u b i ed i 仟u 8 e dd r a i n 结构的高压m o s 晶体管( h vm 0 s f e t ) 。在同 芯辩“上嗣辩集成了强v 款h v 期0 s f e t 与3 3 v 麴甄燕m o s 鑫髂营( w m o s f e t ) 。 赢压m o s 器纷鸵e d a 横型是构成v l s l 彀路方程的主体，模型参数的糖确程 度由按决定蓿v l s i 设计和仿真的精度，是v l s l 生产线的设计基础，以工业标准 b s l m 模型为基础的参数提取是v l s l 生产线设计q 不可缺少的环节。糌确的h v m o s f e t 模型实现对于h vl c 的设计与制造怒着尤为燕键的作用，同时也充满着 挑战性。 1 2 高压m o s f e t 模型在国内外的发展现况 虽然目前高压功率器件在高电联大电流上达到很高的水平。但是，如前所述 在黛残电路邈速发嫒爨今天，大部分对裹压戆爨袭还攫镗v 、 8 ￥穗小子4 0 v 静 水平上。出于最大程度地减少设计者的成本与时问考虑在现有工艺中嵌入高雎 丁篆摸块办法成为黩翦鞍磐黪选择。据2 5 年中国魄力电子器锌发攫分析拔告 显示：“直亳f j 前为止我国仍以生产电流型器件为主，高压m o s 及f g b t 器件的 芯片制造技术仍然比较脆弱，且有与国际进步拉开差距的现实危险。”国内 集成电路制造业在此方面还驻薄弱。国内功率器件发展水平与国外稻眈，无论蹙 电气参数还是可靠性等级水平均有骜明显差距。高压器件已经严重制约着高压鬃 成电路的菠髓。同样，关于高压m o s f e t 的模型研究也开展得不够深入，国蠢 各大高校在这方面的研究成果比较罕见。 弼存国外，禳擘藏开始了羽这方瑟懿瑷论研究。秘u s s e l nb a l l a n 帮m ；e h e | d e c i e r c q 在h vd e v i c e s c i r c u i t si ns t a n d a r dc m o s 一书中榘中分析了工作在 高5 v 和3 w 懿电灏电压f 瓣高压e 酗0 s 工艺，挺搬了在拣准低压g m o s 工笼 下h i 改变任何工艺步骤实现高压器件的方法与技术。并给出了所研究h v 晶体管 的s p l e e 电路宏模黧以及携囊结果。瑟嚣本y c s h s a t o 大学逛藏酷i m 3 黼o s 模型 与h vm o s f e t 的实际拟台情况进行了深入研究，并提出了不修改b $ i m 3m o s 模型提取h vm o s f t 参数莠实现h vm o s f 丁仿爽数据弓测量情 咒枢符合的 方法。 p h 川p 8 公司也针对h vm o s f e t 的特性提出了几种模型的解决方襞。例如： 他们提出，高压m o s 器件的等效电子线路可以通过强化型m o s f e tm o d e k p 川p sm o sm o d e i9 或p h j l j p sm o sm o d e l1 1 搭配一个戏多个累积消耗型 m o s f e 下，如p 嘲p 8m o sm o d e l3 或p 嘲p sm o sm o c | e l4 。来掬隘插述。阉 0 慰链们逶提出了侧嚣扩教m o s l d 酗0 s ，l a 埝精l l yd l 拍s e dm e 培lo x 避e s e m j c o n d u c t o r ) 的模型p h i | i p sm o sm o d e i2 0 。 2 0 0 5 年二慝，o k le l e c l f cl n d u s f y 致发布了他们研发的l c d 驱动电鼹巾应 用的h v m o s 的标准h s p l c e 模澎，该模型与h s p i c e 软件技术结合，能够进行 精确程艘惊人的电路仿翼。 相比之下，我国国内少有企妲能够提供高筮i c 产品，能提供的h vm o s 模 型以及相关的电路仿真与设计也比较少见。 1 3 课题的意义和目的 由上文可知，国内对于h vm o s f e t 的模型研究还不够深入，很多在仿真与 设计中遴到的援溅壤骥拣瓣题滏寒褥到瓣决。纛越来越多的v l s l 设计，铙囊需 露更为精确的高压m o s 器件模型。b s i m 模型作为工业标准，是v l 8 i 生产线的设 计基础，8 s i m 模型的参数提取是v l s l 生产线设诗中不可缺少的琢苇，癍甄蔫应 用最为j “泛的s p i c eb s l m 3 v 3 模裂在对深亚微米高压m 0 8 器件进行模拟时存在 凑显著的问题，出现了严重的失真。v l 8 l 设计与制造都纛要一个新的，符合丁 啦标准的，能精确模拟搿压m o s 器件实际工作情况的模型来进行高压集成电路 芯片的设计与制造。 本漾题根器h vm o s 晶体管的物理特性，针对8 s m 3 v 3 仿真结果与实际溯量 曲线之间的差异，提出了在b s i m 3 v 3 标准m o s 晶体管i v 模型基础上进行改进的 乃法。这徉豹改滋不会影确b s l m 3 的蒹蠢参数，并且可戳针对8 s l m 3 模墅对h v m o s f e t 支持不够之处进行有针对性的修改。从而，这改进模测可应用于各 零孛e 酸软锌进嚣窀路设毒 及对蒸搏工艺浚程进行貔迁与测试，著显更穹孥台h v m o s f e t 的实际特性，大大地提高了h vm o s 和熟所在的高压集成电路仿真的 糖确程魔。 论文的第二灏简要概述了m o s f e t 的器件结构和基本工作原理，并介绵了 较真和器件模型的作用。麓单攒逑了通常在模型掇取中所采用的s p c e8 s m 3 模型。论文第三章是对本论文的主要研究方法：计算机辅助器件模拟合参数提取 进行了从软件使用到模拟方法的阐述。第四章由实验目的开始对s p l c e8 s i m 3 的高压m o s f e 下优化i v 模型的几种方案进行了讨论，掇出了优化b s m 3 商压 m o s f e ti - v 模型的理论方法。第五章最质描述了模型优化的具体过程和骏证结 果。 本课题受国家自然科学基愈( n o 6 0 3 0 6 0 1 2 ) ，上海市科委启明星计划 泓q m x 4 9 ) 及上海一旋耀耪糕鹾究与发震基金n o ，0 5 2 2 ) 等硬秘资助。翱翔 华虹集团上海集成电路研发中心提供的0 3 5 um3 3 v ，1 4 vh vc m o s 工艺。 第二章高压m o s f e t 的基本结构与原理 2 嘈黼o s f e t 的基本结构与工作原理 在p 蘩袋n 型疆犟蕊懿衬藤上象长一绥簿废约豢1 2 0 0 矗1 s o o 矗豹二氧纯疆 ( s 0 2 ) 嫠，然矮按一建次垮沉积愈演电极或多赫磕电辍，嚣懑栅级，搬辍与 其下方的s i 0 2 鞠半导 奉闷构成了令金蔗氧纯秘半导钵络构，即m o s 结构。垒 属一氧纯携一半嚣体终稳形成个电容，遴鬻称必酗o s 电器。疆与二甄化醚之 润静界嚣态秘固定正彀薅会s l 越半学体滚褥能攀毒蓝形戏嚣鼗态，辨鸯落毫场魄裁 在半繁体袭蕊弓l 起空闼邀耱送。这健褥躺o s 电容在不嗣外嘏场作用下特畿截然 疆i 嗣。 酗0 s 溺效应管即采用 d 0 s 电容结构的场效巍管，焚文雅写为m 0 8 f 毫下 e oo 忏s e t 注入层( 掺杂浓度较小的轻掺杂区) 包含了a c l i v e 层( 即掺 杂浓度较高的p + 或是n + 区) 在内。即在掺杂浓度高的a c t i v e 区外包裹了一 层轻掺杂的o 瞧e t 区。 2 2 3d o u b l ed i f f u s e dd r a l n 高压m o s f e t 的工艺与制造 下面将简述一下我们所做实验中d o u b l ed i 忏u s e dd 阳i n 高压m o s f e t 的 _ 艺流程，该器件测试晶圆采用华虹集团上海集成电路研发中心o 3 5um2 p 3 m 33 v ，1 4 v 高压工艺。由于篇幅有限，在这里仅仅给出主要工艺步骤。 ( 1 ) 场氧区光刻与场氧化层制作1 1 0 0 。c4 8 0 0a ( 2 ) h v ( 高压) n 阱光刻与注入阱深约2 5 u m ( 3 ) h v ( 高压) p 阱光刻与注入阱深约1 7u m ( 4 ) h v m o s 栅极氧化层形成约3 2 5a ，9 0 0 。c ( 5 ) 多晶硅淀积，p 型，1 5 0 0a ( 6 ) 硅化钨溅射淀积，1 7 0 0a ( 7 ) 多晶硅与硅化钨光刻与刻蚀，刻出栅极 ( 8 ) 光刻胶遮蔽除n m o so 仟s e t 区以外的区域，进行。仟s e tp 离子注入 ( 9 ) 光刻胶遮蔽除p m o so f f s e t 区以外的区域，进行o 仟s e tb 离子注入 ( 1 0 ) 淀积n s g ，侧墙刻蚀 ( 1 1 ) 光刻露出n m o s 的a c t i v e 区，进行离子注入，形成源漏 ( 1 2 ) 光刻露出p m o s 的a c t i v e 区，进行离子注入，形成源漏 ( 1 3 ) s i i i c i d e 制备 ( 1 4 ) h p m 二氧化硅层，约1 5 0 0a ( 1 5 ) 淀积多晶硅，h r p ( h i g hr e s i s t a n c ep o i y ) ，刻蚀 ( 1 6 ) s i o n 淀积硼磷玻璃致密回流，c m p ( 1 7 ) 光刻，刻孔 ( 侣) 钛，氮化钛溅射( 3 0 0a 门0 0 0a ) ( 1 9 ) 钨的c v d 淀积( 4 0 0 0 a ) ( 2 0 ) 钨的c m p 图7 实验测试结构的最终割矮结构 2 0 步以后为届道工序，温度较低，不礴影响器件性能。因此不褥赘述。经 过流片工序之后实验测试结构的最终剡面结构如图7 所示；图中包括工作电压 鸯3 3 茯静wn 凝与p 黧m o s f e t 和工作电压为2 谈的n 墅嗨p 型h v m o s f e t 。 第三章s p i c e 仿真软件与b s i m 3 模型 3 1e d a 仿真软件s p i c e 与b s l m 3 模型的基本概念 e d a ( e l e c f r o n i cd e s b na u t o m a t i o n ) 软件又称为电子设计自动化软件， 是电路设计与工艺流程中重要的辅助工具，是当今电予技术发展必不可少的组成 部分。目f j l 的i c 设计e d a 软件已经功能已经非常强大。通过它们可以进行逻 辑仿真电路分析等功能。 t 世纪6 0 年代用于模拟集成电路的软件运行即慢也不稳定。但这种情况 存1 9 7 2 年时得到大幅改观。当时加里福尼亚大学b e r k i e y 分校的d o n a l d p e d e r s o n 在电子研究实验室创建了一种速度快且精确的程序 一s p i c e ( s h u l a t i o np r o g 懵mw i t hl n l e g r a t e dc i r c u 1 se m p h a s i s ) 。这是一种用 于电路描述与仿真的语言随后，随着版本不断更新，功能不断增强和完善，这 个程序迅速成为行业标准。1 9 8 8 年s p l c e 被定为美国国家工业标准。如今 s p i c e 的各个版本被，“泛用于设计和测试各种电子设备( 包括计算机、手机、家 用设备以及汽车等) 的芯片。s p i c e 有好几种版本，日前比较流行的主要有u c b e r k e i e vs p i c e 3 、p s p l c e 和h p i c e 等。 s p l c e 是一种用于非线性d c ，非线件晶体管和非线性a c 分析的功能强大 的通用模拟电路仿真器。它口r 以模拟的电路元件包括电阻、电容、电感、于卷线 幽、独立电压和电流源、四种受控源、无损与有损传输线、开关、分布式r c 传 输线、以及5 种半导体器件：二极管、8 j t 、j f e t 、m e s f e t 和m o s f e t 。 u cb e 州e ys p i c e 衍生出两个主要的版奉：h s p i c e 和p s p i c e ，h s p l c e 土 耍应用于集成电路设计，而p s p i c e 主要应用于p c b 板和系统级的设计。 s p i c e 模型由两部分组成：模型方程式( m o d e ie q u a t i o n s ) 和模型参数 ( m o d e lp a r a m e t e r s ) 。由于提供了模型方程式，因而可以把s p l c e 模型与仿真 器的算法非常紧密地联接起来，可以获得更好的分析效率再口分析结果。s p i c e 模型的分析精度主要取决于模型参数的来源( 即数据的精确性) ，以及模型方稗式 的适用范围。而模型方程式与各种不同的数字仿真器相结合时也可能会影响分析 的精度。s p l c e 奉身提供了若干精度不同的m o s f e t 模型，其中b s i m ( b e r k e i e v s h o n c h a n n e i i g f e tm o d e l ) 足其中最为精确的一种。目前b s l m 已经发展到 了b s m 4 版本，但是在目前电子行业应用最为广泛的还是b s f m 3 。 b s l m 3 是一种用于电路仿真与c m o s 技术开发的m o s f e ts p i c e 模犁， 它基于物理学且精确，健壮，可升级，对于m o s f e t 的行为描述具有预见性。 它基于物理学且精确，健壮，可升级，对于m o s f e t 的行为描述具有预见性。 它南u cb e r k e i e y 电子工程与计算机科学累b s i m 研究小组汗发。其中b s l m 3 的第三簇( 8 s l m 3 v 3 ) 长久戳来校全球静半簿俸l e 设计公司广泛使蠲子籍僻建 模和c m o si c 设计。世界半导体公司与仿真器制造商公认将b s i m 3 v 3 模型制 定为工簸撩准。 3 。2s p l c e 软件的结梅 在大部分被广泛使用弱8 e r k e l e ys p i c 中，s p l e e 出s p l c e 仿真器 ( s p l c es i m u i a t o r ) 和s p i c e 模型( s p l c em o d e l ) 两部分组成，但这两者之 蚓没有非常清楚的界限【5 】。当我们说“使用u cb e r k e i e ys p i c e 仿冀”时，这句 话的含义怒模糊的。这句话有可麓指使用8 e r k e l e y 大学研制的s p l g e 仿襄嚣 ( 例如s p l c e 3 f ) 然而采用的m o s f e t 模型并非8 e r k e i e y 大学研发的( 例如 h s p | c el e v e l2 8 模型便是由黼如8 0 蠹w a 豫公司醑发静) ，确反氇有可能是攒仿 真使用h s p i c e 仿真器来完成，而m o s f e t 模型使用了b e r k e i e ys p i c e 模型 ( 铡螽8 s l m 3 ) 。当然，完全有可髓仿真甄使鬻了瑟e 承e l e y 大学懿s p | e 傍凄 嚣也采用了b e r k e i e y 的s p i c e 模型。部分s p l c e 仿真器和s p i c e 模型间存在 兼容健霹题。潮鲡了l 零引e 乏傍囊嚣支簿爨蠢豹习磺发静s p l c e 0 s f e t 模型 同时支持b s i m 3 模型，而b e r k e i e ys p i c e 仿真器却并不支持t l - s p i c e 模型。 菜些谤真嚣阉时支持强一秘s p l e 模型的不强舨零，使j 霹“| e v e p 参数来区别这 些小同版本。例如h s p i c e 支持b 8 i m 2 、8 8 i m 3 v 2 、b s i m 3 v 3 模型，并将他们 分别以l e v e l3 9 、| e v e l4 7 秘l e v e l4 9 分别标识以区分。 s p f c 瞄仿真器是s p i c e 软件的数学引擎，由多个用于数学分析的基本予程 序掏成。例如其中的矩阵求逆程序，它是有n 个未知数的n 次线性方程求锵的 核心算法。这个程序和牛顿一拉夫森迭代法结合起采便可以对给定电路的静态爷 点电压与支路电流非线性方程求解。除了数学计算功能，s p i c e 仿真器还负责 整个sp | c e 软件中的输入输出功能。它接收s p l c e 输入界灏授集到瓣志容著建 立电路进行仿真，在仿真之后按使用者制定的格式将仿真数据输出。 s p l e 蠢较件的第二拿辩分便楚器件摸囊( d e v l m o d e l ) 。在一个电路中骞 非常多的半导体器件，例如二极管，双极晶体管，或是电容等。每个器件都有 个裙露瘟弱数学挨整来表缀它在不瓣镳压条 牟下静耱挂。举遨簇论交霪点讨论戆 m o s f e t 为例，在d c 和a c 分析中，m o s f e t8 p i c e 模型的输入为漏源电 楚、援源惑压、锩瞧压帮器俘瀑凄；辕整剽跫凡令帮点之阕的电流。s p i c e 模型 的参数，同模型的计算公式一起直接影响着节点电流的最后输出数值。在瞬态分 掇中，我们则可以认为s p l c e 模型的输入为在某一瓣闽豹备个偏压馕与他们对 时间的导数之和，而模型的输出为该瞬间各节点的电流瞬态值。如果仿真进行的 是噪声分析，s p i c e 模型还需要计算在一系列特定偏压和频率下的噪声电压。 我们可以用图8 的d c 电路来说明s p i c e 仿真器与s p l c e 模型之间的关 系。如图8 所示虽然输入电流给定，但各节点电压和支路电流都未知。s p i c e 仿真器一开始先为未知的节点电压( 在节点1 、2 、3 ) 推测一个假定值。根据这 些假定值计算出的m o s f e t 偏压便被送至s p l c e 模型作为它的输入。接下来 s 户l c e 模型根据所接收到的输入数据计算它的四个端点输出电流并将输出电流 数值送至s p l c e 仿真器。s p i c e 仿真器再根据输出电流和假定的节点电压检 验在该电路任一点电流电压关系是否符合基尔霍夫定律。一般来说，仿真器的第 一次推测都不会很准确，电路有莱些点违反基尔霍夫定律。但根据输出电流对假 定电压的导数，利用牛顿一拉夫森算法可以修正并优化下一轮仿真的推测节点电 压。新的推测节点电压再度被送至s p i c e 器件模型第二次计算m o s f e t 的端 点电流。如此往复，每迭代一轮仿真计算，所推测的一系列节点电压就向电压的 实际值接近一些，直到最后所推测的节点电压和在此基础上计算出的端点电流能 令给定畦! i 嗨婴定全箩盒萎查蕉券室堡为止这企过程称丸5 p b o e 让算的收 敛过程。 1 r 2 。r ，p 、。- r i ，量亨r 8 ， ：岁 i l n7 一 3r _ = 一 、 多 r 。 7 7 7 图8 电路范例 关于这个过程有非常重要的两点：首先，即使对于d c 分析来晓，s p i c e 模型都必须计算出器件的小信号阻抗来提供给仿真器。这些由s p i c e 漠型计算 出的小信号数据提供了给定电路非常重要的特性信息，对于s p i c e 仿真器对推 测电压的优化和改进起着尤为重要的作用。因而即使用于电路d c 分析s p f c e 模型也需要提供器件的小信号数据。其次，s p i c e 模型计算出的小信号数据即 使错误，也不影响仿真器计算的收敛。仿真器将仍旧依照错误的数据试图得到“。 确的仿真结果。因此如果模型计算出的小信号数据不准确会极大程度地影响铲 个电路仿真计算速度。 我们通常使用的s p l c e 仿真器包括：u cb e 水e l e vs p i c e 、h s p i c e 、剐 p s p f c e o 他们一般使用自身研发的s p i c e 模型但大都仍然保留了原始s p i c e 模型的大体结构。比较常见的模型有：m o si e v e l l 、m o si e v e i2 、m o si e v e i3 、 b s f m 、b s m 2 、b s m 3 、m o d e i9 等。l e v e i1 t 2 和3 模型一殴 譬为锛r a i 2 1 横型这一代稷登豢重手擒遴器撵豹物璎梳剁秘羰确懿辏骥表示公式，在一定携 唆| 享= 没商给予器 串静数学表示公式是蟛鹊鬟橇。学致在运行仿真融数学诗簿上 咎端出螋锚镤+ 簿二代以8 s l 轴、8 s 蝴2 、h s p l e l e v e 2 8 势代衰的s p l c 模 型在这一阉遂上糖以了政避辨羞整在数学表承上避霉了挠他，糖入了一些没有涛 蜥物理意义的经验参数。这一方法在改进收敛特饿方灏有繁积极作朋，代价是将 参数提取的过程复杂化了，间时鹦诧了j 葱与模溅参数的童接联系。第三代以 b s i m 3 署nm o d e i9 为代袭的模型为m o s f e t 重新引入了物理公式作为基础，在 臆之上稼留了模型公式酌数学拙套方法。遮蛰模型通过过滤精简穗謦来产生个 。p 专程描述器件的i v 和。- v 特性。 s p e e 从本质上来说憝一个精于对绘定电路壤流和亳篷进行计冀的数学软 件。整个电路的仿黧过稔的准确憔与仿真蘧腹很大程度上取决于s p l c e 傍粪嚣 毒s p l c 嚣模型嚣者。燕聚在s p l 0 芝彷囊器中羧蠢瓣数学纂法苓够浃捷，遮鼗镶 簿的收敛就不可髓穰快蜜冁；舔镶s p l e 毯禳墼鬟供了辗溅憋鸯孽嚣释穰撅馕援。 糖爱，蛰莱s p l e 傍宾嚣躲避霉缀好嚣s p l g e 攒墅孛产熊了蔟些撂锫转矬缺礁 馕鞠t 6 “警了受疆簿，投散将会交褥嚣常缓蠼豢至表不嫂敛。 3 。3s p l c eb s l 觏3 触o s f 篡t 模型讨论 由予本论文避彳予的磷究麓点患要放在篱雉酗锋f 芒了黼l 淞l 模型的改进 与优化上。因而我们首先对s p i c eb s i m 3m o s f e t 模黧的l - v 特性进行详尽 的潮析釉讨论。 3 。3 融o s f 节憝s p l c 器s l 糖3 模型l 撑特鼓 如3 2 瑟逮，转s l m 3 模型对于器辨熬毖理极豢| 魏物瑗特牲畜鬻榉零裁准确 姆表达公式。势壤综合务耪物理散纛帮数学瓠含黪馕之蜃，对m 0 8 f 下嬲 特性提搬7 一个单一的联会方毽寒进行撼述。 b s l m 3 鞋物理为基础麴l - v 推导横戮藤立在漕寒方程基础上，使愆渐进戴沟 遵遣进和连续撼2 维分析方法进行摘述，涵靛了如下若干物理机制：影响鞠值电 压妁短淘道与窄淘遒效成；非均衡掺杂效应( 横向与缀商) ；迁移率鬣级商电场 影响的降低；裁流子漂移；体电炀效成；饱和速率；潲静电减小势垒效应 ( d 曙i n d u c e db 宣喇e rl o 嘴f i n g ) ；淘滋长魔调镪效应( e h 耩n n e l 卺n 辨h m o d u i a t i o n ) ：体效应受村底电流影响效应( s u b s t m t ec u r 潜n ti n d u c e b o d y e f f e c l ) ：线往区酌黧反蘩漏极电流；饱释嚣静强菠鬃满摄电流与输出电疆；受溺 值漏电流：多晶醚耗尽效应。 ：一鱼篓一上一+ 一、 s 伽。i t s = 髂h x n r s!茕d 幸r s h x n 建dd 嘣n 一墨警麓。簧毛静絮固瞎镬嘲嚏瀵随嘲蜕擎r 一。 ，疆蠡显示了嘲 艨模型申鼬。嗣嚣凄卜g 昏莓蘩奄黪终自每r 寮由嚣令奄滤 源( i d 争和l 鲥b ) 两个嗽阻( r $ 和r d ) 。两个魄导( g m i n ) 和两个等效二极 管组成 圈伯显示了一个典型m o s f 日酌赣出特性魏线。仅考虑渫漏电流酶情况 下，i v 特性曲线可以分为两部分：潺电流隧溺电压迅速上升的线性区和漏晤压 对褥毫流影确j # 常，j 、静镱寝区。邋过输出瞧阻( 满瞧压对漏电流的一瞬导数) 可 以揭示熙多物理机制的细节，以v d s 对输出电阻的影响獠度可将熬个特性船线 捌分轰熬个嚣域： 第一个区域位于线性区，在遂个区域的载流予速度尚米饱和。输出电阻非常 夺，匿必瀑电流辩瀑毫嚣存在誊缓强熬袋簇毪。舞舞三令逸蠛全部在魄窝嚣内。 在此区域内存在筲沟道长度调制效应( c u ) 漏静电减小势垒效威( d i b l ) 和 俸效应受： 重底愈漉影响效瘟( s c 8 e ) 。迭三令效瘫慰予缝子谗露隰内款器l 夸输 出电阻肖着非常大的影响。但它们仅仅分别在三个区域中单独起主要作用。如图 1 0 所示，沟道长度调制效应在第二令区域对输如魉阻起主要影响，演静电减小 势垒效应在第三个区域，而体效斑受衬底电流影响效应在第四个。 2 3 c 三 吞 兰 嚣 蚕1 0 黼s 献豹簸耱鑫电繇毒源瀑奄滚整绫趋势 线性区当处于r d s = 0 的初始情况下( 即不考虑灏和漏的寄生电阻情况下) 蕊濂电流诗箕公式怒公式( 3 ) ： 气魄。垩丽杀 ( k 一强一加圪识 ( 3 ) 其中p e 忏表示沟道有效迁移率；c 似表示栅极的单位面积电容；w 和l 表 承海遵宽度与沟遴长度：e s 毫t 表示瓷静电虽下沟遘横囱窀场骧菠；、黼表示阚毽 电压；a b u i k 表示体电场效应因子。 3 ，3 2 源满寄生堪阻对潮o s f ti - v 特性的影响 本节将墼点讨论一下m o s f e _ r 源漏输出电流与源漏电篷之间的关系以及 m o s f e 下的输出嫩阻。 在圈9 b s i m 3 模型中m o s f e t 的d c 等效电路结构中我们看到其中的两个 电阻r s 岛r d ，它们分别为源极和漕极的寄生电阻。其中 r 玉= r s h n 冀懿_ 透过掌r s h n r d ( 4 ) 而r s + r d z 矽 ( 5 ) r s h 为源灞接融方竣壤隧，n f 舞灞援嚣积，n r s 戈源摄嚣欷，w 为器 件沟宽。 磊麴巢蒋源添送寄生嘏驻这一势薮俸嚣考虑述寒戆诿添毫滚毂漏电滚霹“冀 公式3 ) 将发生变化。见公式( 7 ) 、( 8 ) 和( 9 ) 嗍 强= 等= 蠹 r c h 表示沟道电阻，其数值可由公式( 6 ) 推导得出 r 彬q 兰瓦急 一一一 图1 2 建模工作流程 实际工作中一个完整的器件模型建立的熬个过程是严格而复杂的。如图1 2 所示，整个流程大致需要7 个步骤才黢最终建立特定器件的模型卡片并可供实际 使用。首先当然需疆制造出所要提敬模型的实验器件，这就需要首先使用e d a 软件设计