数电报告mosfet模型参数的提取

MOSFET模型参数的提计算机辅助电路分析（CAA）在LSI和VLSI设计中已成为必不可少的。为了完善，但已有分级的MOS1到3三种具一定精度且较实用的模型。确定模型后，提取模MOSFET1SPICE-IIMOS2MOS3一、实验原1SPICE-IIMOSFET模型及其参数提S42个（1LEEL一级模型即常用的平方律特性描述的in-s模型，考虑了衬垫调制效率和沟道长度调制效应。二级模型考虑了短沟、窄沟对阈电压的影响，迁移率随表面电场的变化，载流子极限速度引起的电流饱和和调制以及弱反型电流等二级效应，给出了完整的2的二级效应。上5um以下才需要二级模型。当短至2um以下，二级效应复杂到难以解析表达时，启用2NMOSFET1P沟模型。若一般模型（MOS1模型正向工作区，VDs01.MOS1沟道长度调制效应（仅对MOS1MOS2）零偏压B-D结电容零偏压B-S结电容-1迁移率下降的临界电场（迁移率下降的临界电场指数（MOS2）（MOS2（—12V3A·V2.0E-3.1E-4GV1/5V6V789FFA1.0E-1.0E-VF·m4.0E-F·m4.0E-F·m2.0E-F·m2.0E-—F·m1.0E-—A·mm1.0E-1.0E-cmcmcm—1mmcm2·V1V·cm——m·s—分配系数—1.0E-—正偏时耗尽电容中的系—阈值电压宽度效应（MOS2和—迁移率调制系数（—静态反馈系数（V饱和场因子（——DDIGBCI当VGs

0为截止区，ID当0VGsVTHVDSID(/2)

)2(1

)当0VDSVGSVTHID(/2)

)

2](1

)2FVTHVT02F

2S

SKp[W/(L2LD

图 N沟MOSFET模瞬态等效电。2）反向运用时，将S与D互换且注意电压极性即可中VTH系有效阈值电压，LD是横向扩散长度。VT0、Kp、、、B（2F）。个出现在饱和区ID中体现了沟道调制效应后二个出现在VTH式中体现了衬底

VT0、Kp、、和BVT0VFBB

Kp0C0

/C0

B(2KT/q)ln(Nsub/ni)VFBGCqNss/C0xC0x0x/T0x上面Tox（氧化膜厚度、Nss（表面态密度、Nsub（衬底浓度）LD0是低表面电场下表面迁移率，GC为栅-衬底接触电势差，由Nsub和栅材料决定二级模型（MOS2模型BB

si(

)

4C0

1XJ1XJ 1XJ1XJ

W[2( V)

W[2(V) 其中WS、WDXJ分别为源、漏结耗尽宽度和扩散结层深，为窄沟效应系数，S体现S

C0x(VGSVTHUTraVDSVGSVTHC0x(VGSVTHUTraVDS引入了Ucrlt，UTra，Uexp来修正未考虑表面场影响的0，SPICE-IIG文本UTra强反型（线性区）电W W VDS)L 2

2 V)/2(

)/23

si(V

4

1

4其中，VTN和包含了短沟效应S是因表面电场影响迁移率的修正b）弱反型（亚阈区）电流（VGSVon下ID=ID(线性区取VGSVon)exp[q(VGSVon)/nKT]VonVTHnKT/q(新定义的导通电压,见图 n1nFS(表面快态密度

q/CoxCD/

(

)1/C B

(B

)1/2

si

1/2(1 /2 SPICE-IIG文本将上式(

)1/2改为1/2

/

)1饱和区电L/IDID(线性区取VDSL/

Leff为有效沟道长度.MOS2种沟道长度调制效应,有两种VDSat值,值低的效应将起主导作用. VGS

1(S

2

{1[14()2(VGS

B

L2L L2LLX

X

{2(L{2(L2LDL)[X ]1/21

L

LX

式中(即PB)是衬底结电势,X为(2 当

L当

L

VDSVDSat[1(VDSVDSat)2]1/2}1/

Xd{Xd X

X L

X'[(dmax)2

)]1/2( max

(V)3/2]} )式中max是极限漂移速度,因VDSatNeff ) X'

q

11/

三级模型(MOS3模型)VTHVFBBFS(B

SF1XJ{LDWC[1 S

XJ Wp其中Wp和WC分别为底面结和圆柱形结的耗尽层宽度,

只要给出XJ,SPICE会自动计算短沟效应,Wp和WC不入F (2WC 8.151022(C表面迁移率修

[1 (含 影响 [1V

L)1

(含 影响 S

线性区漏电流方程的修

S[2(BS[2(B

n饱和区特性的经验修n VGS

maxL

F 由沟道夹断决定的饱和电压只取上式第一项.L

[(XE/2)2

d E )1 IDSat和GDSat分别为饱和区的漏电流和漏电导.MOS3增加了四个参数,,和kMOSFET源漏扩散结势垒电容由底面和侧面电容两部分组成, C(V)CA(1V/)mj P(1V/ 其中参数Cj和Cjsw分别为单位底面积和侧面积周长的零偏电容j即PB,P长,A为底面结面积

mjsw为侧面积梯度因子.电容,BJT方法计算.测值应减去管壳及杂散电容栅电容含两部分,一是交迭电容

'',正比于交迭面积;二是可变电容部分,Meyer电容模型

VDS '

V

{1

VDS

V)

VGSTB/2

(1 on

'

B/2

B/2VGST

V

0VGST

{1

V)

0C'WLC V

MOSID~VDSMOS11)Kp(KP),VT0(VTO),(G)

Nsub(NSUB)的提取VBS（1）DI1/2[D测I ,作I1/2 关系，由斜率求出Kp,由截距得V T当加上不同的V时测取一组阈电压 先由（8）算出,作 ～(

关系线，由式（3）

[(

)1/21/2 T 由关系线斜率求出，再由截距求取B，若两个B有差，可以后一B取代前一重算和B，一直迭代到相差苻合误差要求为止。利用沟道长度调制系数（LAMBDA）的提取MOS管输出电导GDS为GDSdIDdVDS(饱和区)＝ID～VDSL电容参数 (CGSO), (CGDO)和 '(CGSO)的提取

也xyCyy'也xyCyy'yy'LC图38.3SCGDWC宽度上的栅源，栅漏复盖电容CGS

xCoxy（设为mT0，则CGB0Coxy

3)CVmCBSCBD测矩形和曲线形结电容（设计成两底面积相等，而曲线形侧面电容为矩形的倍）C-V（43）lgC底mlg(1VjlgCjlg

mjslg(1V/j)lgCjslgm，mjs，其截距可求得Cj和Cjs4)IsJsMOS2提取必须有长沟宽沟大尺寸、长沟窄沟和短沟宽阈电压修正系 （G）和sB从长沟宽沟大管测VT0、和,再测短沟 的VTH~VBS关系，利BV ~ )1/2图关系线斜率 由长沟 V ，再利用式（11）可以求取s02）迁移率有关参数Uexp(UEXP)和Ucrit(UCRITKp，求（为。为求随场0lg(s/0)Uexp[lg(SIUcrit/Cox)lg(VGSVTH随VGSS随VGS改变规律，作出S/0对VGSVTH的双对数关系线，即可从斜率和截距分别求出Uexp和Ucrit。3）特性参数nFS测量区ID~VGS~Von关系，作ID~VGS~Von关系线，由式（19）lgI V)(2.3nKT)1lg （ n，再用式（21）求取nFSn估算nFSSPICEID~VGS~Von测的I~V特性拟合时，即可确定nFS饱和区参数（LAMBSDA）和max（VMAX） 同理论计算值I（为

IDVDS电流饱和是速度饱和所引起（偏小应提供参数max，用SPICE模拟输出特性，使与量拟合未定max值MOS3固定VBS，测VTH~VDS关系，式（31）知，该直线斜率即，再经式（35）求取值。对比法取法：测出长沟宽

VT0B，再测短沟宽沟管的 取长沟宽VTH~BVBS关系，由式（31）求Fn（此时，取FS1,0再由式（38.34）求取保持VDE为较小值（线性区ID~VGS~VTH关系，当VGS（横、纵）KP和0；而当VGS较大，纵向场将使关系偏离直线，这时测量并作0S~VGS-VTH关系图，利用（36）可得。保持VGS为最高值,增大VDSeffS~VDS关系线由式(37)可求出vmasK值。RS(RSRD(RDLD(LD)的提取（必要时WL不等的管，在VDS很小〈50MA） 1 (RdRS

2LD

kCW

)(1 TH

0

对给定的VGS、k0（常数L1IDi，得(ID)1~L的一条直线，在另一VGSRSRDLDRS(RS为交点纵坐标乘VDS之半。如考虑WOFF=W-2WD，则WD'在VDS'ID

)ID

]k

'k0'

0C0

)

(1 TH

''（6V

S修正可以利S

1

]在VDS很小的线性区，测不同VGSID（VBS实用值，当VGSID] IDkP

)(1 TH

作（(kpWeffLeffVGSVTH)VDSID~(1VGS)）关系线，其斜率的倒数即Vnorm4、计算机优化算法对参数的整体提极值。设待提函数biKNFmi（K〈nFcj组成一组（n个）相对误差（FcjFmj）/Fmj,j=1,2,…n。引入适当权重因子j,构ny(b,b

)

[(Fcj

Fmj

j

F以y(b)

112bb112

b

2mm2mmDFP优化方法是一种准备好按时际工艺制成的提取或封成各种待测管种，普通MOS管只能进行MOS1MOS1的直流模型参数Vto,KpMOS1mCBS和CBD

MOS2s,,Uexp,UcritnFS,和maxMOS3,,,,MOS1电容