mos的spice建模PPT課件

1、2021/3/91 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(yàn)短溝道模型lLEVEL4 MOS4模型 BSIM（Berkeley short-cha

2、nnel IGFET model）模型2021/3/92MOS1模型模型 lMOS1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MOS晶體管。2021/3/93（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(gè)襯底PN結(jié)兩個(gè)襯底結(jié)中的電流可用類似二極管的公式來模擬。 2021/3/95當(dāng)VBS0時(shí) MOS1模型模型襯底PN結(jié)電流公式1expBSSSBSkTqVI

3、I當(dāng)VBS0時(shí) BSSSBSVkTqII當(dāng)VBD0時(shí) 1expBDSDBDkTqVII2021/3/96MOS2 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(jì)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。2021/3/97（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

4、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(shí)閾值電壓降低，而溝道寬度W變窄時(shí)閾值電壓提高。22FSBsT0THVVVF2021/3/98MOS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(huì)有所增加，這時(shí)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

5、成的WD增加，會(huì)使閾值電壓進(jìn)一步下降。 22FSBsT0THVVVF2021/3/99MOS器件二階效應(yīng)器件二階效應(yīng)（3）窄溝道效應(yīng)實(shí)際的柵總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(huì)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(shí)，它在整個(gè)耗盡電荷中所占的比例將增大。與沒有“邊緣”效應(yīng)時(shí)的情況相比較，柵電壓要加得較大才能使溝道反型。這時(shí)V TH被修正為：SBFoxSiFSBFT0H2422VWCVVVT2021/3/910MOS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(shí)，表面遷移率率會(huì)有所下降，其經(jīng)驗(yàn)公式為：EXPtraTHGSOXcritOXSi0S

6、EVEVVtEDS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數(shù)系數(shù)。2021/3/911MOS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(shí)，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(diǎn)向源區(qū)移動(dòng)，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： 2021/3/912MOS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

7、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：CHANDSATmaxWQI2021/3/913MOS器件二階效應(yīng)器件二階效應(yīng)（7）弱反型導(dǎo)電 MOSFET并不是一個(gè)理想的開關(guān)，實(shí)際上當(dāng)VGSVTH時(shí)在表面處就有電子濃度，也就是當(dāng)表面不是強(qiáng)反型時(shí)就存在電流。這個(gè)電流稱為弱反型電流或次開啟電流。SPICE2中定義一個(gè)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(shí)為弱反型，當(dāng)VGSVON時(shí)，為強(qiáng)反型。qnkTVVTHON在弱反型導(dǎo)電時(shí)，漏源電流方程為： ONGSONDSexpVVnkTqII2021

8、/3/914MOS3 模型模型 MOS3模型是一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)?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。2021/3/915 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(yàn)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(yàn)公式及這三個(gè)參數(shù)的意義：MO

9、S3 模型模型 （1）閾值電壓的半經(jīng)驗(yàn)公式BSFNBSFS3OX22FFBTH221015. 82VFVFLCVV式中，是模擬靜電反饋效應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)， FS為短溝道效應(yīng)的校正因子。 2021/3/916MOS3 模型模型 （1）閾值電壓的半經(jīng)驗(yàn)公式 在MOS3中采用改進(jìn)的梯形耗盡層模型，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 。2021/3/917MOS3 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(yàn)公式為：THGS0S1VV式中經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)稱為遷移率調(diào)制系數(shù) 。2021/3/918MOS3 模型模型 （3）溝道長度調(diào)制減小

10、量的半經(jīng)驗(yàn)公式 當(dāng)VDS大于VDSAT時(shí)，載流子速度飽和點(diǎn)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(diǎn)處的橫向電場，為飽和電場系數(shù)。2021/3/919MOS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： SWj0BSSjsw00BS0 jBS11mmSVVPCVVACCSWj0BDDjsw00BDDj0BD11mmVVPCVVACC2021/3/920（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： CGBCGB

11、1CGB2CGSCGS1CGS2CGDCGD1CGD2 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：CGB2CGB0LCGS2CGS0WCGD2CGD0W2021/3/921MOS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)CGB1CGS1CGD1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 2021/3/922串聯(lián)電阻對串聯(lián)電阻對MOS器件的影響器件的影響

12、 漏區(qū)和源區(qū)的串聯(lián)電阻會(huì)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(huì)小于加在外部端口處的電壓。SPICE2等效電路中插入了兩個(gè)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)。2021/3/923短溝道短溝道MOS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MOS場效應(yīng)晶體管而開發(fā)的模型。在

13、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。2021/3/924短溝道短溝道MOS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 BS2SBSS1T0THVKVKVV（2）橫向非均勻摻雜 SAADSeffX1BS2SBSS1T0TH121NNNLLKVKVKVV（3）短溝道效應(yīng) THSAADSeffX1BS2SBSS

14、1T0TH121VNNNLLKVKVKVV（4）窄溝道效應(yīng) S0effOXBS3b3THWWtVKKV2021/3/925短溝道短溝道MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管BSIM3模型模型 n 遷移率 一個(gè)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： 2OXTHGSBOXTHGSBSCA0eff1tVVUtVVVUU2021/3/926短溝道短溝道MOS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(shí)的臨界電場 ：載流子飽和速度 ESAT 式中 ：SAT2021/3/927短溝道短溝道MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管BSIM3模型模型 n 強(qiáng)反型時(shí)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MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管BSIM3模型模型 n 強(qiáng)反型時(shí)的漏源電流aVVLUKaVVVKaKVVLWCVVUIHDSATGSSTGS1CTHGSCCTHGSoxTH00D221121這里2021/3/929短溝道短溝道MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管BSI