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模拟电路器件模型

模拟电路器件模型

器件模型是基于理论和实验研究而开发的解析表达式。 组成此表达式的变量和常量是模型参数。 换句话说,器件参数用于在模拟仿真器上重现实际的元器件特征。

电子电路仿真使用数学模型来复制实际电子设备或电路的行为, 仿真软件可以对电路操作进行建模,并且是非常有用的分析工具

在实际构建电路之前模拟电路的行为,可以不通过流片就能观察到一些设计中的错误和缺陷,并提供对电子电路设计行为的洞察力,从而大大提高设计效率。特别地,对于集成电路,一次性费用(Non-recurring engineering,NRE 包括设计,样品加工,光掩模版,测试,改进等 )昂贵,由于探测内部信号的行为极其困难,对芯片全面完整的测试不切实际。因此,几乎所有的IC设计都严重依赖于仿真。最著名的模拟仿真器是SPICE。仿真引擎和屏幕上的波形显示(参见图1),使设计人员可以快速修改仿真电路,并查看更改对输出有何影响。它们通常还包含大量的模型和设备库。这些模型通常包括特定于IC的晶体管模型(例如BSIM),通用组件(例如电阻器,电容器,电感器和变压器),用户自定义的模型(例如受控电流和电压源或Verilog-A或VHDL-AMS中的模型等)

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图1    仿真波形显示

 

一、 SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis), 侧重于集成电路的仿真程序

  1. 初级SPICE模型
    • Shichman Hodges Model: Shichman Hodges 模型

                     由于Spice 的原因也被称为“ 1级模型”,用于电路 (Id和电容) 手工分析和计算的简单方程式,通常不够准确,除非是几个um沟道长度的工艺。

2. 高级SPICE模型:

    • BSIM model: Berkeley Short-Channel Insulated Gate FET

伯克利大学短沟道绝缘栅场效应晶体管模型

    • EKV model: Enz-Krummenacher-Vittoz 三个发明人姓的首字母
    • PSP MOSFET model; Surface-Potential-based (PSP) model developed at The Pennsylvania State University

宾夕法尼亚大学基于表面电势(PSP)的模型,

 

二、BSIM 模型介绍 :

相对于初级模型增加了非物理参数的数量以匹配实测的器件特性,解决了寻找精确建模的器件参数的挑战性。目前BSIM模型参数数量庞大,多达200多个参数。

1,  BSIM3v3 1995

基于物理的模型; 改进了中等反转的建模,以及器件参数的几何依赖性;

适应的工艺节点;从数微米um 到亚微米的 130nm

2. BSIM4 2000 ( 目前是 BSIM4.7.0, 2011)

包含了几乎所有的短通道效应,改进了MOSFET端口中漏电流和短通道效应,以及噪声和寄生电阻的建模,捕获器件参数对器件几何尺寸的依赖方面持续改进

适应的工艺节点;从亚微米的 130nm 到20nm;

2,  BSIM-CMG ( Common Multi-Gate )

用于小于 20nm的工艺节点, 由于晶体管采用了新的立体结构,FinFET;

BSIM-CMG 与大多数MOS模型具有不同的参数;它没有w,但是具有l,d,nf,nfin等来定义晶体管的几何尺寸

3,  BSIM-IMG (Independent Multi-Gate), 预计在 2021年7月13日公开发布

BSIM

 

图 2 BSIM 模型的演进

 

三,BSIM4相对于BSIM3的改进

栅极漏电流建模

引入了先进MOSFET中口袋注入效应 ( pocket implant effect)

机械应力和邻近效应对版图造成的影响的建模

改进的栅极引起漏极感应漏电流的模型

介绍了一种称为电荷层厚度模型的新型量子效应模型

高k金属栅叠层的建模 (45nm 及之下的工艺节点中栅极不再用多晶硅,要用新材料)

新的整体物理噪声模型

感应栅极噪声及其与沟道热噪声的关系建模

 

四,场效应管模型版本:

BSIM model_sYNmi

图 3 模型版本演进

 

五,模型抽取流程

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图 4  模型抽取流程 (以抽取直流参数模型为例)

 

A, 设计测试结构,用于流片;

B, 晶圆探针测试

C, 抽取 C-V参数

D, 抽取并导出直流参数

E, 重新定位

F, 工艺角模拟

G, 形成模型库

H, 模型库公开发布前质量确认

 

六,模型的适用范围:

模型抽取中的晶体管测试结构,其沟道长宽都有一定的范围,超出这个范围的点都是根据公式计算拟合的,因此,若所仿真的尺寸落在该范围内,则仿真结果是准确的,超过该范围,仿真结果会有偏差,超过范围越大,偏差也越大;因此在具体仿真前,先要通过代工提供的模型文件查看该模型的测试晶体管尺寸选择及适用范围 ( 对应 PDK 中有相关文档 ),如下图:

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图 5 模型抽取中测试结构取点

 

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图 6 模型抽取中特殊位置取点

 

七,BSIM4.5.0的SPICE模型参数

BSIM4模型的模型参数可以分为以下几组: 主要模型参数用于对室温下亚微米MOS器件的DC和CV行为的关键物理效应进行建模, 在这里,它们分为与MOS晶体管的物理效应有关的小节。 第二组参数是与工艺相关的参数;仅当提供了特定MOS生产工艺的详细知识时,才应更改它们。 第三组参数是温度建模参数…。 接下来两组用于对MOS晶体管的交流和噪声行为进行建模。 最后一组包含用于选择某些操作模式和用户可定义模型参数的标志。

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表 1 主要模型参数 ( 部分 )

 

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表 2 温度建模参数

 

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表 3 闪烁噪声模型参数

 

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表 4 应力效应模型参数

 

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表 5 邻近效应模型参数

 

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表 6 高速/ RF模型参数 ( 部分 )

 

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表 7 版图相关的寄生模型参数

 

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表 8 模型选择标志 ( 部分 )

 

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图7 使用浅沟槽隔离方案的MOSFET器件几何

 

八,半导体器件建模:

半导体器件建模基于基本物理原理(例如,器件的掺杂分布)为电气器件的行为创建模型。 它还可能包括创建紧凑模型(例如众所周知的SPICE晶体管模型),该模型试图捕获此类器件的电性能,但通常不会从基础物理学中得出它们。 通常,它从半导体工艺仿真的输出开始。

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图 8 半导体器件建模

MOS器件和双极晶体管建模主导着集成电路中器件的物理和模型,但是其他具有不同建模要求的器件(例如存储器件)也很重要。 当然,可靠性工程还存在一些问题,例如静电放电(ESD)保护电路和器件,其中衬底和寄生器件至关重要。 大多数器件建模程序都没有考虑这些影响和模型

 

九,物理驱动与简化模型

物理驱动的器件建模原本是准确的,但对于包括电路仿真器(例如SPICE)在内的高级工具而言,它的速度还不够快。因此,电路模拟器通常使用更多的经验模型(通常称为简化模型),这些模型不会直接对基础物理模型进行建模。例如,对于TCAD(工艺计算机辅助设计)物理模型和电路级紧凑模型而言,反型层迁移率建模或迁移率及其对物理参数,环境和操作条件的依赖关系建模都是一个重要主题。但是,它不能从第一原理中准确建模,因此采取了适合实验数据的方法。对于物理级别的迁移率建模,电气变量是各种散射机制,载流子密度以及局部电势和电场,包括其技术和环境依赖性。

相反,在电路级,模型根据端口电压和经验散射参数对效果进行参数化。可以比较这两种表示形式,但在许多情况下尚不清楚如何根据更微观的行为来解释实验数据。

 

十, 小技巧:

怎样知道仿真器在使用哪个版本的(MOS)晶体管(BSIM3.3,BSIM4.6,BSIM SOI 4.0或EKV 2.6)模型; 如何将现有模型更改为另一个版本的模型?

在命令行中,对spectre仿真器键入 “spectre -h”, 仿真器输出包含模型版本的信息,

如: model nch bsim3v3; 所使用模型是bsim3v3

对于其它的仿真器也要类似的命令

或者, 检查所用PDK的模型目录 (model directory) 中的模型库 (model library),并查看模型卡 (model card) 中的相关信息;

或者,在运行直流工作点后将其提取,脚本为:

openResults(“/path/to/psf”)
selectResult(‘dcOpInfo)
outputs() => will list all the devices in the operating point data
dataType(“/I7/M2”) => “bsim3v3” (for example)

 

小结:介绍了模拟仿真用的晶体管模型,模型种类,模型的发展历程,模型抽取的流程,模型的适用范围等,重点探讨了目前最常用的 BSIM模型及其演变历程, 最后给出一些使用模型的小技巧

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2 月 前

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