mosspice建模
SPICE的器件模型教材
SPICE的器件模型在介绍SPICE基础知识时介绍了最复杂和重要的电路描述语句，其中就包括元器件描述语句。
许多元器件（如二极管、晶体管等）的描述语句中都有模型关键字，而电阻、电容、电源等的描述语句中也有模型名可选项，这些都要求后面配以.MODEL起始的模型描述语句，对这些特殊器件的参数做详细描述。
电阻、电容、电源等的模型描述语句语句比较简单，也比较容易理解，在SPICE基础中已介绍，就不再重复了；二极管、双极型晶体管的模型虽也做了些介绍，但不够详细，是本文介绍的重点，以便可以自己制作器件模型；场效应管、数字器件的模型过于复杂，太专业，一般用户自己难以制作模型，只做简单介绍。
元器件的模型非常重要，是影响分析精度的重要因素之一。
但模型中涉及太多图表，特别是很多数学公式，都是在WORD下编辑后再转为JEPG图像文件的，很繁琐和耗时，所以只能介绍重点。
一、二极管模型：1.1 理想二极管的I-V特性：1.2 实际硅二极管的I-V特性曲线：折线1.3 DC大信号模型：1.4 电荷存储特性：1.5 大信号模型的电荷存储参数Qd：1.6 温度模型：1.7 二极管模型参数表：二、双极型晶体管BJT模型：2.1 Ebers-Moll静态模型：电流注入模式和传输模式两种2.1.1 电流注入模式：2.1.2 传输模式：2.1.3 在不同的工作区域，极电流Ic Ie的工作范围不同，电流方程也各不相同：2.1.4 Early效应：基区宽度调制效应2.1.5 带Rc、Re、Rb的传输静态模型：正向参数和反向参数是相对的，基极接法不变，而发射极和集电极互换所对应的两种状态，分别称为正向状态和反向状态，与此对应的参数就分别定义为正向参数和反向参数。
2.2 Ebers-Moll大信号模型：2.3 Gummel-Pool静态模型：2.4 Gummel-Pool大信号模型：拓扑结构与Ebers-Moll大信号模型相同，非线性存储元件电压控制电容的方程也相同2.5 BJT晶体管模型总参数表：三、金属氧化物半导体晶体管MOSFET模型：3.1 一级静态模型：Shichman-Hodges模型3.2 二级静态模型（大信号模型）：Meyer模型3.2.1 电荷存储效应：3.2.2 PN结电容：3.3 三级静态模型：3.2 MOSFET模型参数表：一级模型理论上复杂，有效参数少，用于精度不高场合，迅速粗略估计电路二级模型可使用复杂程度不同的模型，计算较多，常常不能收敛三级模型精度与二级模型相同，计算时间和重复次数少，某些参数计算比较复杂四级模型BSIM，适用于短沟道（<3um）的分析，Berkley在1987年提出四、结型场效应晶体管JFET模型：基于Shichman-Hodges模型4.1 N沟道JFET静态模型：4.2 JFET大信号模型：4.3 JFET模型参数表：五、GaAs MESFET模型：分两级模型（肖特基结作栅极）GaAs MESFET模型参数表：六、数字器件模型：6.1 标准门的模型语句：.MODEL <(model)name> UGATE [模型参数] 标准门的延迟参数：6.2 三态门的模型语句：.MODEL <(model)name> UTGATE [模型参数]三态门的延迟参数：6.3 边沿触发器的模型语句：.MODEL <(model)name> UEFF [模型参数]边沿触发器参数：JKFF nff preb,clrb,clkb,j*,k*,g*,gb* JK触发器，后沿触发DFF nff preb,clrb,clk,d*,g*,gb* D触发器，前沿触发边沿触发器时间参数：6.4 钟控触发器的模型语句：.MODEL <(model)name> UGFF [模型参数]钟控触发器参数：SRFF nff preb,clrb,gate,s*,r*,q*,qb* SR触发器，时钟高电平触发DLTCH nff preb,clrb,gate,d*,g*,gb* D触发器，时钟高电平触发钟控触发器时间参数：6.5 可编程逻辑阵列器件的语句：U <name> <pld type> (<#inputs>,<#outputs>) <input_node>* <output_node># +<(timing model)name> <(io_model)name> [FILE=<(file name) text value>]+[DATA=<radix flag>$ <program data>$][MNTYMXDLY=<(delay select)value>] +[IOLEVEL=<(interface model level)value>]其中：<pld type>列表<(file name) text value> JEDEC格式文件的名称，含有阵列特定的编程数据JEDEC文件指定时，DATA语句数据可忽略<radix flag> 是下列字母之一：B 二进制 O 八进制 X 十六进制<program data> 程序数据是一个数据序列，初始都为0PLD时间模型参数：七、数字I/O接口子电路：数字电路与模拟电路连接的界面节点，SPICE自动插入此子电路子电路名（AtoDn和DtoAn）在I/O模型中定义，实现逻辑状态与电压、阻抗之间的转换。
mos管等效电路模型
mos管等效电路模型MOS管等效电路模型MOS管是一种常用的半导体器件，广泛应用于各种电子设备中。
在电路设计中，为了方便分析和计算，常常使用等效电路模型来代替实际的MOS管。
一、MOS管的基本结构MOS管是由P型或N型半导体基片上的氧化物层和金属栅极组成的。
根据金属栅极与半导体基片之间是否存在PN结，可以将MOS管分为两种类型：N沟道MOS（NMOS）和P沟道MOS（PMOS）。
二、MOS管的工作原理当金属栅极施加正电压时，在氧化物层下形成一个正电荷区，使得N沟道或P沟道中形成一个反型区域。
在反型区域内，载流子密度较高，可以形成通道。
当通道中有一定的载流子密度时，施加源极和漏极之间的电压就会使得载流子在通道内移动而产生电流。
三、MOS管等效电路模型为了方便分析和计算，常常使用等效电路模型来代替实际的MOS管。
目前比较常用的有三种模型：SPICE模型、Eber-Moll模型和MOSFET模型。
1. SPICE模型SPICE模型是一种比较通用的MOS管等效电路模型，可以用于各种类型的MOS管。
该模型将MOS管分为三个区域：源极区、漏极区和通道区。
其中，通道区的电阻和电容是由一些参数来描述的，如长度、宽度、阈值电压等。
2. Eber-Moll模型Eber-Moll模型是一种简单的MOS管等效电路模型，只考虑了MOS 管在饱和状态下的行为。
该模型将MOS管看作一个开关，当栅极施加正电压时，开关闭合；当栅极施加负电压时，开关断开。
3. MOSFET模型MOSFET模型是一种比较复杂的MOS管等效电路模型，可以更准确地描述MOS管的行为。
该模型将MOS管分为四个区域：源极区、漏极区、沟道区和反型区。
其中沟道区和反型区之间存在一个PN结，在不同的工作状态下会有不同的导通特性。
四、总结通过以上介绍可以看出，MOS管等效电路模型在电路设计中起着非常重要的作用。
不同类型的MOS管可以使用不同的等效电路模型来描述其行为，以便更好地分析和计算。
实验三-MOS管参数仿真及Spice学习
实验三-MOS管参数仿真及Spice学习一、实验介绍本次实验的主要内容是对MOS管参数进行仿真，并通过Spice软件进行电路模拟，掌握MOS管参数和Spice软件的使用方法。
本实验主要包括以下内容：1.MOS管参数的基本概念和理论知识2.PSpice软件的使用方法3.MOS管参数的仿真实验二、MOS管参数的基本概念和理论知识MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）是一种常用的半导体器件，广泛应用于数字电路、模拟电路和功率电子器件等领域。
MOS管中最常用的参数有场效应迁移率，漏极电阻，漏极导纳，截止电压等。
下面分别介绍这些参数的定义和作用。
1.1 场效应迁移率场效应迁移率是描述MOS管输出特性的重要参数，通常用符号μ表示，单位为cm2/Vs，是指电子在沟道中移动的速度与电场强度之比。
MOS管的场效应迁移率与沟道电阻、沟道长度、衬底材料等因素有关，一般情况下，迁移率越高，MOS管的性能越好，但也需要考虑其他因素的影响。
1.2 漏极电阻漏极电阻是指当MOS管工作在 saturation 区时，漏极电压变化时引起的漏极电流变化的比值，通常用符号rds表示，单位为欧姆。
MOS管的漏极电阻直接影响其输出电压的变化范围，漏极电阻越大，输出信号的电压变化范围就越小，反之亦然。
1.3 漏极导纳漏极导纳是指MOS管漏极电阻的导纳值，通常用符号Gds表示，单位为S （西门子）。
MOS管的漏极导纳与漏极电阻成反比，漏极电阻越小，漏极导纳越大，输出信号的电压变化范围也就越大。
1.4 截止电压截止电压是指当MOS管工作在截止区时，栅源电压达到的最大值，超过这个值后MOS管就会进入饱和状态，通常用符号VGS(off)表示，单位为伏特。
MOS管的截止电压与其工作状态有关，在设计电路时需要合理选择MOS管的截止电压，以确保电路的正常工作。
以上是MOS管常用的几个参数，这些参数的选择和设计对电路的性能和稳定性都有很大的影响，需要仔细考虑。
VDMOS等效电路的SPICE模型
区构成 J F ET 的栅极 , N - 漂移区 构成 J FET 的 漏 极.如图 2 所示 ,当漏极电压升高或漏极电流变大 时 ,PN 结反偏 , P 体区 对 N - 漂移区的耗尽 扩展影 响了电流通路 ,耗尽层展宽 ,J FE T 电流导通沟道变 窄 ,相当于引起 J FE T 的 Pinchi ng Off 效应. 当 P 体 区之间 的距 离越 来越 小时 , 寄生 J F ET 将对 VD2 MO S 性能产生重要影响. 随着微电子工艺从微米向 亚微米发展 ,VDMO S 单胞越来越密 , P 体区之间的 距离越来越小. 寄生 J F ET 将增加颈区电阻 ,同时也 将引起准饱和效应 ,限制了漏极的最大电流.
SPICE的器件模型..
SPICE的器件模型在介绍SPICE基础知识时介绍了最复杂和重要的电路描述语句，其中就包括元器件描述语句。
许多元器件（如二极管、晶体管等）的描述语句中都有模型关键字，而电阻、电容、电源等的描述语句中也有模型名可选项，这些都要求后面配以.MODEL起始的模型描述语句，对这些特殊器件的参数做详细描述。
电阻、电容、电源等的模型描述语句语句比较简单，也比较容易理解，在SPICE基础中已介绍，就不再重复了；二极管、双极型晶体管的模型虽也做了些介绍，但不够详细，是本文介绍的重点，以便可以自己制作器件模型；场效应管、数字器件的模型过于复杂，太专业，一般用户自己难以制作模型，只做简单介绍。
元器件的模型非常重要，是影响分析精度的重要因素之一。
但模型中涉及太多图表，特别是很多数学公式，都是在WORD下编辑后再转为JEPG图像文件的，很繁琐和耗时，所以只能介绍重点。
一、二极管模型：1.1 理想二极管的I-V特性：1.2 实际硅二极管的I-V特性曲线：折线1.3 DC大信号模型：1.4 电荷存储特性：1.5 大信号模型的电荷存储参数Qd：1.6 温度模型：1.7 二极管模型参数表：二、双极型晶体管BJT模型：2.1 Ebers-Moll静态模型：电流注入模式和传输模式两种2.1.1 电流注入模式：2.1.2 传输模式：2.1.3 在不同的工作区域，极电流Ic Ie的工作范围不同，电流方程也各不相同：2.1.4 Early效应：基区宽度调制效应2.1.5 带Rc、Re、Rb的传输静态模型：正向参数和反向参数是相对的，基极接法不变，而发射极和集电极互换所对应的两种状态，分别称为正向状态和反向状态，与此对应的参数就分别定义为正向参数和反向参数。
2.2 Ebers-Moll大信号模型：2.3 Gummel-Pool静态模型：2.4 Gummel-Pool大信号模型：拓扑结构与Ebers-Moll大信号模型相同，非线性存储元件电压控制电容的方程也相同2.5 BJT晶体管模型总参数表：三、金属氧化物半导体晶体管MOSFET模型：3.1 一级静态模型：Shichman-Hodges模型3.2 二级静态模型（大信号模型）：Meyer模型3.2.1 电荷存储效应：3.2.2 PN结电容：3.3 三级静态模型：3.2 MOSFET模型参数表：一级模型理论上复杂，有效参数少，用于精度不高场合，迅速粗略估计电路二级模型可使用复杂程度不同的模型，计算较多，常常不能收敛三级模型精度与二级模型相同，计算时间和重复次数少，某些参数计算比较复杂四级模型BSIM，适用于短沟道（<3um）的分析，Berkley在1987年提出四、结型场效应晶体管JFET模型：基于Shichman-Hodges模型4.1 N沟道JFET静态模型：4.2 JFET大信号模型：4.3 JFET模型参数表：五、GaAs MESFET模型：分两级模型（肖特基结作栅极）GaAs MESFET模型参数表：六、数字器件模型：6.1 标准门的模型语句：.MODEL <(model)name> UGATE [模型参数] 标准门的延迟参数：6.2 三态门的模型语句：.MODEL <(model)name> UTGATE [模型参数]三态门的延迟参数：6.3 边沿触发器的模型语句：.MODEL <(model)name> UEFF [模型参数]边沿触发器参数：JKFF nff preb,clrb,clkb,j*,k*,g*,gb* JK触发器，后沿触发DFF nff preb,clrb,clk,d*,g*,gb* D触发器，前沿触发边沿触发器时间参数：6.4 钟控触发器的模型语句：.MODEL <(model)name> UGFF [模型参数]钟控触发器参数：SRFF nff preb,clrb,gate,s*,r*,q*,qb* SR触发器，时钟高电平触发DLTCH nff preb,clrb,gate,d*,g*,gb* D触发器，时钟高电平触发钟控触发器时间参数：6.5 可编程逻辑阵列器件的语句：U <name> <pld type> (<#inputs>,<#outputs>) <input_node>* <output_node># +<(timing model)name> <(io_model)name> [FILE=<(file name) text value>]+[DATA=<radix flag>$ <program data>$][MNTYMXDLY=<(delay select)value>] +[IOLEVEL=<(interface model level)value>]其中：<pld type>列表<(file name) text value> JEDEC格式文件的名称，含有阵列特定的编程数据JEDEC文件指定时，DATA语句数据可忽略<radix flag> 是下列字母之一：B 二进制 O 八进制 X 十六进制<program data> 程序数据是一个数据序列，初始都为0PLD时间模型参数：七、数字I/O接口子电路：数字电路与模拟电路连接的界面节点，SPICE自动插入此子电路子电路名（AtoDn和DtoAn）在I/O模型中定义，实现逻辑状态与电压、阻抗之间的转换。
第七章 集成电路器件及SPICE模型
MOS结构电容
a a + + + + + + + + + 1.0 Co 沟道 Cdep 沟道 耗尽层 p型衬底 Vss Vss （a） （b） Vgs d tox Cgb Co 0.2 积累区 耗尽区 反型区
MOS电容 (a)物理结构 (b)电容与Vgs的函数关系
MOS结构电容
Cox Cox Í µ µ Æ
l ' / 4
集总元件
由于尺寸的小型化，几乎所有集成电路的有 源元件都可认为是集总元件。前面讨论的无 源元件也可作为集总元件来处理； 随着工作频率的增加，使得一些诸如互连线 的IC元件的尺寸可以与传输信号的波长相比； 这时，集总元件模型就不能有效地描述那些 大尺寸元件的性能，应该定义为分布元件。
2
MIM电容
电容模型等效电路：
固有的自频率：
f0
1 2 LC
金属叉指结构电容
MOS结构电容
平板电容和PN结电容都不相同，MOS核心部分，即 金属-氧化物-半导体层结构的电容具有独特的性质。
它的电容-电压特性取决于半导体表面的状态。
随着栅极电压的变化，表面可处于： 积累区 耗尽区 反型区
有源电阻
I D + V S I IDS I O G S + V D (b) VGS V VTP
G
O
I IDS
VTN V (a)
VGS
MOS有源电阻及其I-V曲线
2t ox L V V 直流电阻： Ron︱VGS=V ＝ I n ox W (V VTN ) 2
交流电阻：
mosspice建模
（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
1 2LX Leff
NDS NA NA
1
S VTH
（4）窄沟道效应
VTH K3 K3bVBS
tOX Weff ' W0
S
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：
强反型时的漏源电流
（1）截止区（VGS≤VTH）
IDS＝0
（2）线性工作区（VGS>VTH，0< VDS< VDSAT）
W
IDS
1U0
0
VGS VTH
Cox L
1
U1 L
VDS
VGS
VTH
VDS
a 2
VD2S
这里 a 1 gK1
2 S VBS
g
1
1.744
＝U1 CL
VGS
VTH a
短沟道MOS场效应管BSIM3模型
弱反型时的漏源电流
BSIM模型认为：总漏电流是强反型的漏电流与弱反型漏电流之
和。即：IDS＝IDS1＋IDS2
弱反型漏电流分量表示为：
I DS2
I expI Limit I exp I Limit
2
CMOS离子敏场效应管SPICE模型--【汉魅HanMei—课程讲义论文分享】
E abs 为标准氢电极电势， V； E ref 为参考电极相对于标
18
传
感
器
技
术
第 24 卷
的界面势 φ eo 用 2 个串联的 Helmholtz 电容 C H 和扩散层电
［2］ 容 C g 来等效 ， 这样， ISFET 的模型就是 MOSFET 模型的
扩展， 即在已有 MOSFET 模型基础上再需串联 C H 和 C g 。 根据文献 ［2］ ， C g 和 C H 表达式为 ∂σ d = ∂ψ gd 8 ε ω kTN b sinh ∂（ヘ ∂ψ gd （ 17 ）
缘体、 多晶硅、 金属层叠起来， 称之为多层栅结构。从 ISFET 的传感机理出发， 通过分析金属 氧化物场效 应晶体管 （ MOSFET） 阈值电压的原理， 利用通用电路模拟程序 （ SPICE） 建立了这种多层栅结构 ISFET 的物 理模型， 并对其静态输入 输出特性进行仿真， 仿真结果和试验数据基本相符。 关键词：离子敏场效应晶体管；器件模型；通用电路模拟程序 中图分类号：TN4 文献标识码：B 文章编号：1000 - 9787 （ 2005 ） 10 - 0016 - 03
若考虑半导体功函数、 氧化层电荷、 半导体表面态的影 响， 阈值电压表达式为 V T = V FB + 2 Φ F QB . Ci （5） 式中
77K温度下MOS器件的SPICE模型实现中期报告
77K温度下MOS器件的SPICE模型实现中期报告
本文介绍了在77K温度下MOS器件SPICE模型实现的进展情况。
SPICE模型是一种在电路仿真软件中广泛使用的模拟模型，用于模拟各种电子元件的性能和行为。
在MOS器件的SPICE模型实现中，需要考虑器件的物理结构和电学特性。
在77K温度下，MOS器件的性能和行为会发生一些变化，因此需要对SPICE模型进行适当的调整和修正。
目前，我们已经开展了一些实验工作，收集了MOS器件在77K温度下的性能数据，并且对这些数据进行了分析和处理。
我们还在建立基于这些数据的SPICE模型，并对模型进行优化和验证。
具体来说，我们已经完成了以下工作：
1. 实验测试：使用特定的测试工具和方法，测试了MOS器件在77K 温度下的性能，包括电流-电压关系、输入输出特性、输出阻抗等。
2. 数据分析：对实验数据进行了分析和处理，研究了MOS器件在低温下的特性和行为。
3. SPICE模型建立：以测试得到的数据为基础，建立了MOS器件在77K温度下的SPICE模型，包括电流源、电容器、电阻器等元件。
4. 优化验证：对SPICE模型进行了优化和验证，确保模型能够准确地模拟MOS器件在77K温度下的性能和行为，提高模拟精度和可靠性。
总体来说，我们已经取得了一定的进展，并且对MOS器件在77K温度下的SPICE模型实现有了更深入的认识。
下一步，我们将继续完善SPICE模型，并进一步优化和验证，以增强其可靠性和应用性。
spice模型
4）LEVEL＝4 级别为4的MOS4模型又称BSIM（Berkeley short-channel IGFET model）模型。该模型 是由美国伯克利大学1984年专门为短沟道MOS 场效应晶体管而开发的模型，是AT&T Bell实验 室简练短沟道IGFET模型的改进型。模型是在 物理基础上建立的，模型参数由工艺文件经模 型参数提取程序自动产生，适用于数字电路和 模拟电路，而且运行时间比二级模型平均缩短 一半左右。现已发表的有BSIM1、BSIM2、 BSIM3和BSIM4等模型。
一、模型参数提取方法
实际电路分析中用到的一般都是元件的
等效电路模型。由于集成电路元件主要是 由半导体器件组成的，因此，这些等效电 路模型又都是以物理模型为基础的。
1）物理模型 半导体器件的物理模型是从半导体的基本方程 出发，并对器件的参数做一定的近似假设而得 到的有解析表达式的数学模型。一般说来，随 着集成电路集成度的提高，器件的结构、尺寸 都在发生变化，器件的物理模型就越加复杂。 在物理模型中经常包含有一些经验因子，目的 是为了使模型与实验结果符合得更好。一般说， 模型中考虑的因素越多，与实际结果就符合得 越好，但模型也就越复杂，在电路模拟中耗费 的计算工作量就越大。
体管模型。这两种模型均属于物理模型，其模
型参数能较好地反映物理本质并且易于测量，
便于理解和使用。
一、双极型晶体管的EM模型
C IC VBC IB + B + VBE IR aFIF
IS VBC VBE I C I S exp 1 exp V 1 Vt R t
二极管及其SPICE模型
PN结是微电子器件的基本结构之一，集成电
路和半导体器件的大多数特性都是PN结相互作 用的结果。如果通过某种方法使半导体中一部 分区域为P型，另一部分区域为N型，则在其交 界面就形成了PN结。 一般的二极管就是由一个PN结构成的，以PN 结构成的二极管的最基本的电学行为是具有单 向导电性，这在实际中有非常大的用处。
LDMOS热载流子效应的SPICE模型的研究与实现的开题报告
LDMOS热载流子效应的SPICE模型的研究与实现的开题报告一、研究背景和意义LDMOS（Laterally Diffused Metal-Oxide-Semiconductor）是一种重要的功率器件，具有高电性能、高集成度和逻辑晶体管兼容等特点，被广泛应用于高频功率放大器、直流/直流变换器、DC-DC转换器和电源管理等领域。
然而，在高功率、高集成度和高频率应用中，LDMOS的热载流子效应变得明显，大大影响了器件的性能稳定性和可靠性。
因此，研究LDMOS热载流子效应的模型和特性，对于实现现代电路的高性能和高可靠性具有重要意义。
SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）是一种常用的电路仿真工具，可以有效地分析和设计复杂的电路系统。
在LDMOS器件的研究中，SPICE模型被广泛应用于电路仿真和性能分析。
因此，本研究将从LDMOS热载流子效应的物理机制出发，研究LDMOS 热载流子效应的SPICE模型的建立和实现，为LDMOS器件的可靠性设计和性能优化提供参考。
二、研究内容和方法（一）热载流子效应的物理机制研究通过文献综述和仿真模拟等方法，研究LDMOS热载流子效应的物理机制和影响因素。
主要包括载流子的漂移扩散、温度效应和应力效应等方面。
（二）SPICE模型的建立和参数提取基于热载流子效应的物理机制，建立LDMOS热载流子效应的SPICE 模型，并采用电性能测试和仿真模拟等方法提取模型参数。
同时，将SPICE模型与实际器件测试数据进行比较和分析，验证模型的准确性和可靠性。
（三）电路仿真和性能分析基于建立的SPICE模型，进行LDMOS器件电路仿真和性能分析。
主要包括电流-电压（I-V）特性、热载流子效应的温度响应、可靠性分析和优化等方面。
三、研究进度计划阶段一：文献调研和热载流子效应的物理机制研究（2个月）阶段二：SPICE模型的建立和参数提取（3个月）阶段三：电路仿真和性能分析（4个月）阶段四：论文撰写和答辩（3个月）四、预期成果（一）提出一种基于物理机制的LDMOS热载流子效应的SPICE模型，通过实验验证和仿真分析可以得出具有较高准确性和可靠性的模型参数。
MOS spice参数
2002.5半导体器件4.61第四章MOSFET4.6 MOSFET 模型2002.5半导体器件4.624.6 MOSFET 模型本节内容MOSFET 模型简介MOS1和MOS2模型及模型参数介绍 电容模型（介绍Meyer 电容模型）模型参数提取2002.5半导体器件4.634.6.1 MOSFET 模型简介MOSFET 模型发展至今，已有五十多个模型。
下面简单介绍几个有代表性的模型：Level 1 ——MOS1模型（Shichman-Hodges 模型），该模型是Berkley SPICE 最早的MOST 模型，适用于精度要求不高的长沟道MOST 。
电容模型为Meyer 模型，不考虑电荷贮存效应Level 2 ——MOS2模型，该模型考虑了部分短沟道效应，电容模型为Meyer 模型或Ward-Dutton 模型。
Ward-Dutton 模型考虑了电荷贮存效应。
2002.5半导体器件4.644.6.1 MOSFET 模型简介Level 3 ——MOS3模型，为半经验模型，广泛用于数字电路设计中，适用于短沟道器件，对于沟道长度≥2µm 的器件所得模拟结果很精确。
BSIM 模型——B erkeley S hort-Channel I GFET M odel 。
BSIM 模型是专门为短沟道MOST 而开发的模型。
目前已经发展到BSIM4模型。
Level 4 ——BSIM1模型，适合于L ≈1µm ，t ox ≈15nm 的MOSFET 。
4.6.1 MOSFET 模型简介BSIM1模型考虑了小尺寸MOST 的二阶效应包括 垂直电场对载流子迁移率的影响； 速度饱和效应；DIBL （漏场感应势垒下降）效应； 电荷共享；离子注入器件的杂质非均匀分布； 沟道长度调制效应； 亚阈值导电；参数随几何尺寸的变化基本公式是萨方程的修正4.6.1 MOSFET 模型简介HSPICE Level 28 ——改进的BSIM1模型，适用于模拟电路设计，目前仍有广泛应用。
第6章 集成电路器件及SPICE模型
G
O (b) PMOS
I IDS
VTN V (a) NMOS
VGS
图6.2
Ron
栅漏短接的MOS有源电阻及其I-V曲线
VGS
2t V L V ox I n ox W (V VTN )2
直流电阻 Ron>交流电阻 rds
3
图6.1 简单长导线的寄生模型
不同材料的串联寄生电阻值不同 : 金属（铜、铝）的典型值为0.05Ω/□; 多晶硅的典型值为10～15Ω/□; 扩散区的典型值为20～30Ω/□;
4
图6.2 简单并联寄生电容 单位长度电容计算经验公式：
0.25 0.5 w w w C 0.77 1.06 1.06 h h h
随着工作频率的增加，一些诸如互连线的IC 元件的尺寸变得很大，以致它们可以与传输 信号的波长相比。这时，集总元件模型就不 能有效地描述那些大尺寸元件的性能，应该 定义为分布元件。
20
2. 微带线
微带线是一根带状导线(信号线)，与地平面之间用一种 电介质隔离开。如果线的厚度、宽度以及与地平面之间的距 离是可控制的，则它的特性阻抗也是可以控制的。
kT Vt q
VD n V t I D IS e 1
IS JS A
m
Is:饱和电流 JS:工艺参数 A:结的截面积
VD C j C j0 1 V 0
_
Cd
dI τI dQ τT D T D dVD dVD n Vt
23
3. 共面波导(CPW)---微波平面传输线
跨导运算放大器及其Spice电路模型的构建
2.1 CMOS模拟集成电路基本单元2.1.1 MOS场效应管的基本结构绝缘栅场效应管又叫作MOS场效应管，意为金属-氧化物-半导体场效应管。
图2.1为MOS场效应管的结构和电路符号。
图中的N型硅衬底是杂质浓度低的N型硅薄片。
在它上面再制作两个相距很近的P区，分别引为漏极和源极，而由金属铝构成的栅极则是通过二氧化硅绝缘层与N型衬底及P型区隔离。
这也是绝缘栅MOS场效应管名称的由来。
因为栅极与其它电极隔离，所以栅极是利用感应电荷的多少来改变导电沟道去控制漏源电流的。
MOS场效应管的导电沟道由半导体表面场效应形成。
栅极加有负电压，而N型衬底加有正电压。
由于铝栅极和N型衬底间电场的作用，使绝缘层下面的N型衬底表面的电子被排斥，而带正电的空穴被吸引到表面上来。
于是在N型衬底的表面薄层形成空穴型号的P型层，称为反型层，它把漏源两极的P区连接起来，构成漏源间的导电沟道。
沟道的宽窄由电场强弱控制。
MOS场效应管的栅极与源极绝缘，基本不存在栅极电流，输入电阻非常高。
[20,21]图2.1MOS场效应管的结构和电路符号Fig.2.1 Structure and circuit symbol that MOS Field-Effect Transistor 场效应管有P型和N型之分。
这里的P型或N型，指的是导电沟道是P型还是N 型，即导电沟道中是空穴导电还是电子导电。
因为场效应管中只有一种载流子参加导电，所以又常称为“单极型晶体管”。
P型沟道和N型沟道的MOS场效应管又各分为“耗尽型”和“增强型”两种。
耗尽型指栅极电压为零时，就存在导电沟道，漏源中间有一定电流。
增强型MOS场效应管，则只有在栅极电压大于零的情况下，才存在导电沟道。
2.1.2 MOS场效应管的模型化MOS管的大信号（直流）特性可以用它的电流方程来描述。
以N沟道增强型MOS管为例，特性曲线和电流方程如图2.2所示。
图2.2 特性曲线和电流方程Fig.2.2 Characteristic property curve and electric current equation如果栅源偏置电压GS V 大于MOS 管的阈值电压T V ，则在P 型衬底的表面由于静电感应会产生大量的电子，形成导电沟道。
纳米CMOS器件模型与SPICE仿真
纳米CMOS 器件模型与SPICE 仿真刘谨 2010E8015967004 微电子研究所研究意义：通常我们把0.35-0.8μm 及其以下称为亚微米级，0.25um 及其以下称为深亚微米，0.05um 及其以下称为纳米级。
当前CMOS 器件主流工艺尺寸已经达到32nm ，已经进入到了深亚微米乃至纳米量级。
在这个尺度上，传统器件已经趋近极限，需要给出新的器件结构和器件材料才能进一步发展。
研究目的：本项目主要考虑由器件沟道长度减小带来的短沟道效应，以及分析当前主要的深亚微米器件、纳米器件结构，给出用Hspice 仿真的模型，对仿真模型的电流电压和电容等参数进行分析，同时介绍当前该领域的研究进展和研究趋势。
研究的初步内容：一．原理和效应当器件的尺寸逐步缩小时，可以用到等比例缩小的基本思想:在MOS 器件内部电场不变的情况下,通过等比例缩小器件的纵向和横向尺寸,以增加跨导和减小电容,由此提高集成电路的性能。
理想的按比例缩小理论遵循三条规律：(1)器件的所有横向和纵向尺寸都缩小K 倍(K>1)；(2)阈值电压和电源电压缩小K 倍；(3)所有的掺杂浓度增加K 倍。
具体的分析如下：(1)漏源电流ID 按比例缩小K 倍；MOSFET 的漏源电流方程为其中单位面积栅氧化层电容为由于V DS 、(V GS -V T )、W(沟道宽度) 、L(沟道长度) 、 t ox (栅氧化层厚度)均缩小了K 倍，C OX 增大K 倍，因此I D 缩小了K 倍。
(2)门延迟时间按比例缩小K 倍,即由于V DS 、I D 、C L 均缩小了K 倍，所以t d 也缩小K 倍(3)由2中的计算，可得集成电路性能的功耗延迟积Pw*t d 缩小了K 3倍；(4)因为W,L 的缩小使得晶体管的面积缩小了K 2倍，因此相同面积上的晶体管集成密度提高了k 2倍。
按比例缩小不足之处：(1)阈值电压不可能无限制缩小，因为阈值电压降低会引起电路抗干扰能力减弱，泄漏电流])[(2DS DS T GS eff OX D V V V V L W C I αμ--=OX OX OX tC εε0=OXF i A Si C E E qN 4)]/([5.02/10-+=εεαOX L WLC C =DL DS d I C V t ∝增加，不利于动态节点电平的保持，而且会引起静态功耗的增加。
功率MOS器件单粒子栅穿效应的PSPICE模拟
纵向 DMOS 晶体管的器件结构示于图 1 ,其源 、漏极不在同一平面 ,电流在体内垂直流动 , 具有较高的耐压能力 。
本工作建立的功率 MOS 器件 SEGR 效应的等效电路模型示于图 2 ,将 VDMOSFET 等效 为一个由横向 MOSFET 驱动的纵向 J FET 器件[1 ] ,横向 MOSFET 反映器件的快速开关特性 , 纵向 J F ET 模拟器件的高压大电流特性 ,用一个体二极管 Dbody并联一个 Vbreak来反映 p n - n + 结的单向特性和功率特性 ,器件的电容效应由栅2源电容 C21 、栅电极与沟道之间的氧化层电容 C23和积累层电容 C24来共同模拟 ,电感 L s 表示功率 MOSFET 的源 、漏极的寄生电感 ,控制电 路 E41 、D1 、Vpinch和控制电流源 IDSCHRG使 J EF T 的栅2源电压箝位于阈值电压 Vpinch ,从而使器
图 4 器件 SEGR 阈值 V GS随入射离子 等效 L ET 值的变化曲线
Fig. 4 Measured SEGR responses of vertical power MOSFET’s when exposed to different ions 1 ———L ET = 1115 MeV·cm2/ mg ;2 ———L ET =
164
原子能科学技术 第34卷
横向 MOSFET 模型参数 : V T0 = 311 V , Kp = 2185 ; 纵向 J F ET 模型参数 : R d = 0129 Ω ,βt = 2185 ×102 , V pinch = - 412 V ; 栅电容模型参数 : CIS = 1177 ×10 - 11 F , E0 = 911 MV/ cm , B = 5810 MeV·cm2/ mg 。 图 3 模拟了在等效 L ET 值等于 3711 MeV·cm2/ mg 的入射粒子 (286 MeV ,81Br) 作用下 , 不同源2漏偏置对器件栅穿电压 V GS的影响 ,从图中的模拟结果可以看出 ,器件的栅穿电压 V GS受到漏2源偏置电压 V DS的严重影响 , V DS值增高 ,器件发生 SE GR 的栅阈值电压相应降 低 。表 1 对模拟计算值和文献[ 5 ]中的实验数据进行了比较 ,可以看出 ,二者符合得较好 ,说明 该部分的等效电路模型 、参数提取方法和模拟计算是可靠的 。 图 4 给出了器件在固定漏2源偏置电压 ( V DS = 10 V) 下 ,具有不同等效 L ET 值的入射粒子 对器件栅穿电压 V GS的影响 ,从图中的模拟结果可以看出 ,器件的栅穿电压 V GS随入射离子 L ET 值的不同而发生较大的变化 ,L ET 值增高 ,器件发生 SEGR 的栅阈值电压相应降低 ,表 2 对模拟计算值和文献[ 5 ]中的实验数据进行了比较 ,可以看出 ,二者符合得较好 ,说明该部分的 等效电路模型 、参数提取方法和模拟计算也是可靠的 。
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VGS VTH 2 1 λVDS
（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。
MOS1模型衬底PN结电流公式
G
+
+
CGB
rS
CGS VGS -
S +
CBS
-
VGD
I DS
-
-
-
VBS
V BD
+
+
CGD rD
D
CBD
当VBS<0时
I BS
qISS kT
VBS
当VBS>0时
（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。
MOS器件二阶效应
（1）短沟道对阈值电压的影响
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
（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
qN
VDS VDSAT
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νmax表示载流子的最大 漂移速率，于是有：
νm a x
I DSAT WQ CHAN
MOS器件二阶效应
MOS器件二阶效应
（3）窄沟道效应Biblioteka 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V TH被修正为：
VTH VT0 γ
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：
WD X D 2φF VBS VDS
WS X D 2φF VBS
上式中，
XD
2εSi
qNSUB
，因此γS修正为：
γS
γ1
1 2
L0
少。体电荷的影响是由体效应阈值系数γ体现的，它的变化使V TH 变化。考虑了短沟效应后的体效应系数γS为：
γS
γ1
L0
Xj 2LD
1
2W Xj
1
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。
[VTH VT0 γs 2φF VSB 2φF ]
I BS
I SS
exp
qVBS kT
1
B
当VBD<0时 当VBD>0时
I BD
qI SD kT
VBD
I BD
I
SD
exp
qVBD kT
1
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：
2φF VSB
2φF
δ εSi
4CoxW
2φF V SB
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：
μS
μ0 εεOSXi
VGS
EcrittOX VTH E V tra DS
EEXP
式中，µ0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。
LEVEL＝1 MOS1模型 Shichman-Hodges模型 LEVEL＝2 MOS2模型 二维解析模型 LEVEL＝3 MOS3模型 半经验短沟道模型 LEVEL＝4 MOS4模型 BSIM（Berkeley short-channel IGFET
model）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。
G
+
+
CGB
rS
CGS VGS -
S
+
CBS
-
VGD
I DS
-
-
-
VBS V BD
+
+
CGD rD
D
CBD
B
MOS1模型器件工作特性
L0－版图上几何沟道长度，L0－2 LD＝L为有效沟道长度 ；
VTH－阈值电压：VTH VT0 γ 2φF VSB 2φF
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：
I DS
KP 2
L0
W 2LD
（1）线性区（非饱和区）
当VGS>VTH，VDS<VGS－VTH，MOS管工作在线性区。 电流方程为：
I DS
KP
L0
W 2LD
VGS
VTH VDS
1 2
VDS
2
1
λVDS
式中：
KP－本征跨导参数；
W－沟道宽度 ；
λ－沟道长度调制系数； LD－沟道横向扩散长度 ；
§ 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。
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：
L L0 2LD Λ
式中：
Λ
ε 2 Si
Xj 2LD
1 2WD Xj
1
1 2WS Xj
1 γ1 α D α S
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。
[VTH VT0 γs 2φF VSB 2φF ]