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MOS场效应晶体管及其SPICE模型 MOS管的结构尺寸缩小到亚微米范围后 多维的物理效应和寄生效应使得对MOS管的模型描述带来了困难 模型越复杂 模型参数越多 其模拟的精度越高 但高精度与模拟的效率相矛盾 依据不同需要 常将MOS模型分成不同级别 SPICE2中提供了几种MOS场效应管模型 并用变量LEVEL来指定所用的模型 LEVEL 1MOS1模型 Shichman Hodges模型LEVEL 2MOS2模型 二维解析模型LEVEL 3MOS3模型 半经验短沟道模型LEVEL 4MOS4模型 BSIM Berkeleyshort channelIGFETmodel 模型 MOS1模型 MOS1模型是MOS晶体管的一阶模型 描述了MOS管电流 电压的平方率特性 它考虑了衬底调制效应和沟道长度调制效应 适用于精度要求不高的长沟道MOS晶体管 1 线性区 非饱和区 MOS1模型器件工作特性 当VGS VTH VDS VGS VTH MOS管工作在线性区 电流方程为 KP 本征跨导参数 式中 LD 沟道横向扩散长度 L0 版图上几何沟道长度 L0 2LD L为有效沟道长度 W 沟道宽度 沟道长度调制系数 VTH 阈值电压 MOS1模型器件工作特性 2 饱和区 当VGS VTH VDS VGS VTH MOS管工作在饱和区 电流方程为 3 两个衬底PN结 两个衬底结中的电流可用类似二极管的公式来模拟 当VBS 0时 MOS1模型衬底PN结电流公式 当VBS 0时 当VBD 0时 当VBD 0时 MOS2模型 二阶模型所使用的等效电路和一阶模型相同 但模型计算中考虑了各种二阶效应对MOS器件漏电流及阈值电压等特性的影响 这些二阶效应包括 1 沟道长度对阈值电压的影响 2 漏栅静电反馈效应对阈值电压的影响 3 沟道宽度对阈值电压的影响 4 迁移率随表面电场的变化 5 沟道夹断引起的沟道长度调制效应 6 载流子漂移速度限制而引起的电流饱和效应 7 弱反型导电 1 短沟道对阈值电压的影响 MOS器件二阶效应 沟道长度L的减少 使衬底耗尽层的体电荷对阈值电压贡献减少 体电荷的影响是由体效应阈值系数 体现的 它的变化使VTH变化 考虑了短沟效应后的体效应系数 S为 可见 当沟道长度L减小时阈值电压降低 而沟道宽度W变窄时阈值电压提高 MOS器件二阶效应 2 静电反馈效应 随着VDS的增加 在漏区这一边的耗尽层宽度会有所增加 这时漏区和源区的耗尽层宽度WD和WS分别为 上式中 因此 S修正为 可见 由于VDS的增加而造成的WD增加 会使阈值电压进一步下降 MOS器件二阶效应 3 窄沟道效应 实际的栅总有一部分要覆盖在场氧化层上 沟道宽度以外 因此场氧化层下也会引起耗尽电荷 这部分电荷虽然很少 但当沟道宽度W很窄时 它在整个耗尽电荷中所占的比例将增大 与没有 边缘 效应时的情况相比较 栅电压要加得较大才能使沟道反型 这时VTH被修正为 MOS器件二阶效应 4 迁移率修正 在栅电压增加时 表面迁移率率会有所下降 其经验公式为 式中 0表面迁移率 Ecrit为栅 沟道的临界电场强度 Etra是横向电场系数 它表示VDS对栅 沟道电场的影响 EEXP为迁移率下降的临界指数系数 MOS器件二阶效应 5 沟道长度调制效应 当VDS增大时 MOS管的漏端沟道被夹断并进入饱和 VDS进一步增大 该夹断点向源区移动 从而使沟道的有效长度减小 这就是沟道长度调制效应 在考虑了沟道长度调制效应后 器件的有效沟道长度为 式中 MOS器件二阶效应 6 载流子有限漂移速度引起的电流饱和 对于同样的几何尺寸比 同样的工艺和偏置 短沟道器件比起长沟道器件来讲饱和电流要小 在MOS2模型中 引入了参数 max表示载流子的最大漂移速率 于是有 MOS器件二阶效应 7 弱反型导电 MOSFET并不是一个理想的开关 实际上当VGS VTH时在表面处就有电子浓度 也就是当表面不是强反型时就存在电流 这个电流称为弱反型电流或次开启电流 SPICE2中定义一个新的阈值电压VON 它标志着器件从弱反型进入强反型 当VGS VON时为弱反型 当VGS VON时 为强反型 在弱反型导电时 漏源电流方程为 MOS3模型 MOS3模型是一个半经验模型 适用于短沟道器件 对于沟长 2 m的器件所得模拟结果很精确 在MOS3中考虑的器件二阶效应如下 1 漏源电压引起的表面势垒降低而使阈值电压下降的静电反馈效应 2 短沟道效应和窄沟道效应对阈值电压的影响 3 载流子极限漂移速度引起的沟道电流饱和效应 4 表面电场对载流子迁移率的影响 MOS3模型参数大多与MOS2相同 但其阈值电压 饱和电流 沟道调制效应和漏源电流表达式等都是半经验公式 并引入了新的模型参数 EAT THETA 和 KAPPA 下面分别讨论MOS3半经验公式及这三个参数的意义 MOS3模型 1 阈值电压的半经验公式 式中 是模拟静电反馈效应的经验模型参数 FS为短沟道效应的校正因子 MOS3模型 1 阈值电压的半经验公式 在MOS3中采用改进的梯形耗尽层模型 考虑了圆柱形电场分布的影响 如图所示 图中Wc为圆柱结耗尽层宽度 Wp为平面结耗尽层宽度 MOS3模型 2 表面迁移率调制 表示迁移率和栅电场关系的经验公式为 式中经验模型参数 称为迁移率调制系数 MOS3模型 3 沟道长度调制减小量的半经验公式 当VDS大于VDSAT时 载流子速度饱和点的位置逐渐移向源区 造成沟道长度调制效应 沟道长度的减小量 L为 上式中 EP为夹断点处的横向电场 为饱和电场系数 MOS电容模型 1 PN结电容 结电容由底部势垒电容和侧壁势垒电容两部分组成 2 栅电容 MOS电容模型 栅电容CGB CGS CGD包括随偏压变化及不随偏压变化两部分 CGB CGB1 CGB2CGS CGS1 CGS2CGD CGD1 CGD2 其中不随偏压而变的部分是栅极与源区 漏区的交叠氧化层电容以及栅与衬底间的交叠氧化层电容 在场氧化层上 即 CGB2 CGB0LCGS2 CGS0WCGD2 CGD0W MOS电容模型 2 栅电容 随偏压而变的栅电容是栅氧化层电容与空间电荷区电容相串联的部分 列出了不同工作区栅电容的变化如下 不同工作区的栅电容 串联电阻对MOS器件的影响 漏区和源区的串联电阻会严重地影响MOS管的电学特性 串联电阻的存在使加在漏源区的有效电压会小于加在外部端口处的电压 SPICE2等效电路中插入了两个电阻rD和rS 它们的值可在模型语句 MODEL 中给定 也可通过MOSFET中的NRD和NRS来确定 rD RshNRD rS RshNRS 式中 Rsh 漏扩散区和源扩散区薄层电阻 NRD 漏扩散区等效的方块数 NRS 源扩散区等效的方块数 短沟道MOS场效应管BSIM3模型 BSIM Berkeleyshort channelIGFETmodel 模型是专门为短沟道MOS场效应晶体管而开发的模型 在BSIM3模型中考虑了下列效应 1 短沟和窄沟对阈值电压的影响 6 漏感应引起位垒下降 2 横向和纵向的非均匀掺杂 7 沟道长度调制效应 3 垂直场引起的载流子迁移率下降 8 衬底电流引起的体效应 4 体效应 9 次开启导电问题 5 载流子速度饱和效应 10 漏 源寄生电阻 短沟道MOS场效应管BSIM3模型 阈值电压 1 垂直方向非均匀掺杂 2 横向非均匀掺杂 3 短沟道效应 4 窄沟道效应 短沟道MOS场效应管BSIM3模型 迁移率 一个好的表面迁移率模型对于MOSFET模型的精度是致关重要的 一般讲 迁移率与很多工艺参数及偏置条件有关 BSIM3中所提供的迁移率公式是 短沟道MOS场效应管BSIM3模型 载流子漂移速度 载流子速度达到饱和时的临界电场 载流子饱和速度 ESAT 式中 短沟道MOS场效应管BSIM3模型 强反型时的漏源电流 1 截止区 VGS VTH