mos的spice建模

1、 mos場效應(yīng)晶體管及其場效應(yīng)晶體管及其spice模型模型 lmos管的結(jié)構(gòu)尺寸縮小到亞微米范圍后，多維的物理效應(yīng)和寄生效應(yīng)使得對mos管的模型描述帶來了困難。模型越復(fù)雜，模型參數(shù)越多，其模擬的精度越高。但高精度與模擬的效率相矛盾。依據(jù)不同需要，常將mos模型分成不同級別。spice2中提供了幾種mos場效應(yīng)管模型，并用變量level來指定所用的模型。llevel1 mos1模型 shichman-hodges模型llevel2 mos2模型 二維解析模型llevel3 mos3模型 半經(jīng)驗短溝道模型llevel4 mos4模型 bsim（berkeley short-channel igfe

2、t model）模型mos1模型模型 l mos1模型是mos晶體管的一階模型，描述了mos管電流-電壓的平方率特性，它考慮了襯底調(diào)制效應(yīng)和溝道長度調(diào)制效應(yīng)。適用于精度要求不高的長溝道m(xù)os晶體管。（1）線性區(qū)（非飽和區(qū)） mos1模型模型器件工作特性當(dāng)vgsvth，vdsvth，vdsvgsvth，mos管工作在飽和區(qū)。電流方程為： ds2thgs0pds122vvvllwkid（3）兩個襯底pn結(jié)兩個襯底結(jié)中的電流可用類似二極管的公式來模擬。 當(dāng)vbs0時 mos1模型模型襯底pn結(jié)電流公式1expbsssbsktqvii當(dāng)vbs0時 bsssbsvktqii當(dāng)vbd0時 1expbdsd

3、bdktqviimos2 模型模型 u二階模型所使用的等效電路和一階模型相同 ，但模型計算中考慮了各種二階效應(yīng)對mos器件漏電流及閾值電壓等特性的影響。這些二階效應(yīng)包括： （1）溝道長度對閾值電壓的影響；（2）漏柵靜電反饋效應(yīng)對閾值電壓的影響；（3）溝道寬度對閾值電壓的影響；（4）遷移率隨表面電場的變化；（5）溝道夾斷引起的溝道長度調(diào)制效應(yīng)；（6）載流子漂移速度限制而引起的電流飽和效應(yīng)；（7）弱反型導(dǎo)電。（1）短溝道對閾值電壓的影響 mos器件二階效應(yīng)器件二階效應(yīng) 溝道長度l的減少，使襯底耗盡層的體電荷對閾值電壓貢獻(xiàn)減少。體電荷的影響是由體效應(yīng)閾值系數(shù)體現(xiàn)的，它的變化使v th變化?？紤]了短溝

4、效應(yīng)后的體效應(yīng)系數(shù)s為： 12121jd0jsxwllx可見，當(dāng)溝道長度l減小時閾值電壓降低，而溝道寬度w變窄時閾值電壓提高。22fsbst0thvvvfmos器件二階效應(yīng)器件二階效應(yīng)（2）靜電反饋效應(yīng) 隨著vds的增加，在漏區(qū)這一邊的耗盡層寬度會有所增加，這時漏區(qū)和源區(qū)的耗盡層寬度wd和ws分別為： dsbsfdd2vvxwbsfds2vxwsubd2qnxsi上式中， ，因此s修正為： sdddxwxwllx11211212211jsj0js可見，由于vds的增加而造成的wd增加，會使閾值電壓進(jìn)一步下降。 22fsbst0thvvvfmos器件二階效應(yīng)器件二階效應(yīng)（3）窄溝道效應(yīng)實際的柵總

5、有一部分要覆蓋在場氧化層上(溝道寬度以外)，因此場氧化層下也會引起耗盡電荷。這部分電荷雖然很少，但當(dāng)溝道寬度w很窄時，它在整個耗盡電荷中所占的比例將增大。與沒有“邊緣”效應(yīng)時的情況相比較，柵電壓要加得較大才能使溝道反型。這時v th被修正為：sbfoxsifsbft0h2422vwcvvvtmos器件二階效應(yīng)器件二階效應(yīng)（4）遷移率修正 在柵電壓增加時，表面遷移率率會有所下降，其經(jīng)驗公式為：exptrathgsoxcritoxsi0sevevvteds式中， 0表面遷移率；ecrit為柵-溝道的臨界電場強(qiáng)度；etra是橫向電場系數(shù)，它表示vds對柵-溝道電場的影響；eexp為遷移率下降的臨界指

6、數(shù)系數(shù)。mos器件二階效應(yīng)器件二階效應(yīng)（5）溝道長度調(diào)制效應(yīng) 當(dāng)vds增大時，mos管的漏端溝道被夾斷并進(jìn)入飽和，vds進(jìn)一步增大，該夾斷點向源區(qū)移動，從而使溝道的有效長度減小，這就是溝道長度調(diào)制效應(yīng) 。 在考慮了溝道長度調(diào)制效應(yīng)后，器件的有效溝道長度為：d02llldsatds2vvqnsi式中： mos器件二階效應(yīng)器件二階效應(yīng)（6）載流子有限漂移速度引起的電流飽和 對于同樣的幾何尺寸比、同樣的工藝和偏置，短溝道器件比起長溝道器件來講飽和電流要小。 在mos2模型中，引入了參數(shù)max表示載流子的最大漂移速率，于是有：chandsatmaxwqimos器件二階效應(yīng)器件二階效應(yīng)（7）弱反型導(dǎo)電

7、mosfet并不是一個理想的開關(guān)，實際上當(dāng)vgsvth時在表面處就有電子濃度，也就是當(dāng)表面不是強(qiáng)反型時就存在電流。這個電流稱為弱反型電流或次開啟電流。spice2中定義一個新的閾值電壓von，它標(biāo)志著器件從弱反型進(jìn)入強(qiáng)反型。當(dāng)vgsvon時為弱反型，當(dāng)vgsvon時，為強(qiáng)反型。qnktvvthon在弱反型導(dǎo)電時，漏源電流方程為： ongsondsexpvvnktqiimos3 模型模型 mos3模型是一個半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，適用于短溝道器件，對于溝長2m的器件所得模擬結(jié)果很精確。在mos3中考慮的器 件二階效應(yīng)如下：（1）漏源電壓引起的表面勢壘降低而使閾值電壓下降的靜 電反饋效應(yīng)；（2）短溝道效應(yīng)和窄

8、溝道效應(yīng)對閾值電壓的影響；（3）載流子極限漂移速度引起的溝道電流飽和效應(yīng)；（4）表面電場對載流子遷移率的影響。 mos3模型參數(shù)大多與mos2相同，但其閾值電壓、飽和電流、溝道調(diào)制效應(yīng)和漏源電流表達(dá)式等都是半經(jīng)驗公式，并引入了新的模型參數(shù)：（eat）、（theta）和（kappa）。下面分別討論mos3半經(jīng)驗公式及這三個參數(shù)的意義：mos3 模型模型 （1）閾值電壓的半經(jīng)驗公式bsfnbsfs3ox22ffbth221015. 82vfvflcvv式中，是模擬靜電反饋效應(yīng)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛥?shù)， fs為短溝道效應(yīng)的校正因子。 mos3 模型模型 （1）閾值電壓的半經(jīng)驗公式 在mos3中采用改進(jìn)的梯形耗

9、盡層模型，考慮了圓柱形電場分布的影響，如圖所示。圖中wc為圓柱結(jié)耗盡層寬度，wp為平面結(jié)耗盡層寬度 。mos3 模型模型 （2）表面遷移率調(diào)制 表示遷移率和柵電場關(guān)系的經(jīng)驗公式為：thgs0s1vv式中經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛥?shù)稱為遷移率調(diào)制系數(shù) 。mos3 模型模型 （3）溝道長度調(diào)制減小量的半經(jīng)驗公式 當(dāng)vds大于vdsat時，載流子速度飽和點的位置逐漸移向源區(qū)，造成溝道長度調(diào)制效應(yīng)。溝道長度的減小量l為： 222dpdsatds2d22dpdxevvxxexl上式中，ep為夾斷點處的橫向電場，為飽和電場系數(shù)。mos電容模型電容模型 （1）pn結(jié)電容結(jié)電容由底部勢壘電容和側(cè)壁勢壘電容兩部分組成： swj

10、0bssjsw00bs0 jbs11mmsvvpcvvaccswj0bddjsw00bddj0bd11mmvvpcvvacc（2）柵電容mos電容模型電容模型 柵電容cgb，cgs，cgd包括隨偏壓變化及不隨偏壓變化兩部分： cgbcgb1cgb2cgscgs1cgs2cgdcgd1cgd2 其中不隨偏壓而變的部分是柵極與源區(qū)、漏區(qū)的交疊氧化層電容以及柵與襯底間的交疊氧化層電容(在場氧化層上)，即：cgb2cgb0lcgs2cgs0wcgd2cgd0wmos電容模型電容模型 （2）柵電容 隨偏壓而變的柵電容是柵氧化層電容與空間電荷區(qū)電容相串聯(lián)的部分。列出了不同工作區(qū)柵電容的變化如下：工作區(qū)cg

11、b1cgs1cgd1截止區(qū)coxwleff00非飽和區(qū)0coxwleff/2coxwleff/2飽和區(qū)0(2/3)coxwleff0不同工作區(qū)的柵電容 串聯(lián)電阻對串聯(lián)電阻對mos器件的影響器件的影響 漏區(qū)和源區(qū)的串聯(lián)電阻會嚴(yán)重地影響mos管的電學(xué)特性，串聯(lián)電阻的存在使加在漏源區(qū)的有效電壓會小于加在外部端口處的電壓。spice2等效電路中插入了兩個電阻rd和rs，它們的值可在模型語句：“model ”中給定，也可通過mosfet中的nrd和nrs來確定 。rdrshnrd rsrshnrs 式中，rsh漏擴(kuò)散區(qū)和源擴(kuò)散區(qū)薄層電阻 ；nrd漏擴(kuò)散區(qū)等效的方塊數(shù)；nrs源擴(kuò)散區(qū)等效的方塊數(shù)。短溝道短

12、溝道m(xù)os場效應(yīng)管場效應(yīng)管bsim3模型模型 bsim（berkeley short-channel igfet model）模型是專門為短溝道m(xù)os場效應(yīng)晶體管而開發(fā)的模型。在bsim3模型中考慮了下列效應(yīng)：（1）短溝和窄溝對閾值電壓的影響；（6）漏感應(yīng)引起位壘下降；（2）橫向和縱向的非均勻摻雜； （7）溝道長度調(diào)制效應(yīng)；（3）垂直場引起的載流子遷移率下降（8）襯底電流引起的體效應(yīng)，（4）體效應(yīng)； （9）次開啟導(dǎo)電問題；（5）載流子速度飽和效應(yīng)； （10）漏源寄生電阻。短溝道短溝道m(xù)os場效應(yīng)管場效應(yīng)管bsim3模型模型 n 閾值電壓 （1）垂直方向非均勻摻雜 bs2sbss1t0thvkv

13、kvv（2）橫向非均勻摻雜 saadseffx1bs2sbss1t0th121nnnllkvkvkvv（3）短溝道效應(yīng) thsaadseffx1bs2sbss1t0th121vnnnllkvkvkvv（4）窄溝道效應(yīng) s0effoxbs3b3thwwtvkkv短溝道短溝道m(xù)os場效應(yīng)管場效應(yīng)管bsim3模型模型 n 遷移率 一個好的表面遷移率模型對于mosfet模型的精度是致關(guān)重要的。一般講，遷移率與很多工藝參數(shù)及偏置條件有關(guān)。bsim3中所提供的遷移率公式是： 2oxthgsboxthgsbsca0eff1tvvutvvvuu短溝道短溝道m(xù)os場效應(yīng)管場效應(yīng)管bsim3模型模型 n 載流子漂移速度：載流子速度達(dá)到飽和時的臨界電場 ：載流子飽和速度 esat 式中 ：sat短溝道短溝道m(xù)os場效應(yīng)管場效應(yīng)管bsim3模型模型 n 強(qiáng)反型時的漏源電流（1）截止區(qū)（vgsvth） ids0 （2）線性工作區(qū)（vgsvth，0 vdsvth， vds vdsat） 短溝道短溝道m(xù)os場效應(yīng)管場效應(yīng)管bsim3模型模型 n 強(qiáng)反型時的漏源電流avvlukavvvkakvvlwcvvuihdsatgsstgs1cthgsccthgsoxth00d221