1、 MOS场效应晶体管及其 SPICE模型 l 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。l LEVEL 1 MOS1模型 Shichman-Hodges模型l LEVEL 2 MOS2模型 二维解析模型l LEVEL 3 MOS3模型 半经验短沟道模型l LEVEL 4 MOS4模型 BSIM（ Berkeley short-channe
2、l IGFET model） 模型MOS1模型 l 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。（ 1）线性区（非饱和区） MOS1模型 器件工作特性当 VGSVTH， VDSVTH， VDSVGS VTH， MOS管工作在饱和区。电流方程为：（ 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。 当 VBS0时 MOS1模型 衬底 PN结电流公式当 VBS0时 MOS2 模型 u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 MO
3、S器件漏电流及阈值电压等特性的影响。这些二阶效应包括： （ 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。（ 1）短沟道对阈值电压的影响 MOS器件二阶效应沟道长度 L的减少，使衬底耗尽层的体电荷对阈值电压贡献减少。体电荷的影响是由体效应阈值系数 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 S为： 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。MOS
4、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： 上式中， ， 因此 S修正为： 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。 MOS器件二阶效应（ 3）窄沟道效应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 ：MOS器件二阶效应（ 4）迁移率修正 在栅电压增加时，表
5、面迁移率率会有所下降，其经验公式为：式中， 0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。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：式中： 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 MOS
6、2模型中，引入了参数 max表示载流子的最大漂移速率，于是有：MOS器件二阶效应（ 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。这个电流称为弱反型电流或次开启电流。 SPICE2中定义一个新的阈值电压 VON，它标志着器件从弱反型进入强反型。当 VGS VON时为弱反型，当 VGSVON时，为强反型。在弱反型导电时，漏源电流方程为： MOS3 模型 MOS3模型是一个半经验模型，适用于短沟道器件，对于沟长 2m的器件所得模拟结果很精确。在 MOS3中考虑的器 件二阶效应如下：（ 1）漏源电压引起的表面势垒
7、降低而使阈值电压下降的静电反馈效应；（ 2）短沟道效应和窄沟道效应对阈值电压的影响；（ 3）载流子极限漂移速度引起的沟道电流饱和效应；（ 4）表面电场对载流子迁移率的影响。MOS3模型参数大多与 MOS2相同，但其阈值电压、饱和电流、沟道调制效应和漏源电流表达式等都是半经验公式，并引入了新的模型参数： （ EAT）、 （ THETA）和 （ KAPPA）。下面分别讨论 MOS3半经验公式及这三个参数的意义：MOS3 模型 （ 1）阈值电压的半经验公式式中， 是模拟静电反馈效应的经验模型参数，FS为短沟道效应的校正因子。 MOS3 模型 （ 1）阈值电压的半经验公式在 MOS3中采用改进的梯形耗
8、尽层模型，考虑了圆柱形电场分布的影响，如图所示。图中 Wc为圆柱结耗尽层宽度， Wp为平面结耗尽层宽度 。MOS3 模型 （ 2）表面迁移率调制表示迁移率和栅电场关系的经验公式为：式中经验模型参数 称为迁移率调制系数 。MOS3 模型 （ 3）沟道长度调制减小量的半经验公式当 VDS大于 VDSAT时，载流子速度饱和点的位置逐渐移向源区，造成沟道长度调制效应。沟道长度的减小量 L为： 上式中， EP为夹断点处的横向电场， 为饱和电场系数。MOS电容模型 （ 1） PN结电容结电容由底部势垒电容和侧壁势垒电容两部分组成： （ 2）栅电容MOS电容模型 栅电容 CGB， CGS， CGD包括随偏压
9、变化及不随偏压变化两部分： CGB CGB1 CGB2 CGS CGS1 CGS2 CGD CGD1 CGD2 其中不随偏压而变的部分是栅极与源区、漏区的交叠氧化层电容以及栅与衬底间的交叠氧化层电容 (在场氧化层上 )，即：CGB2 CGB0L CGS2 CGS0W CGD2 CGD0WMOS电容模型 （ 2）栅电容随偏压而变的栅电容是栅氧化层电容与空间电荷区电容相串联的部分。列出了不同工作区栅电容的变化如下：工作区 CGB1 CGS1 CGD1截止区 COXWLeff 0 0非 饱 和区 0 COXWLeff/2 COXWLeff/2饱 和区 0 (2/3)COXWLeff 0不同工作区的栅
10、电容 串联电阻对 MOS器件的影响 漏区和源区的串联电阻会严重地影响 MOS管的电学特性，串联电阻的存在使加在漏源区的有效电压会小于加在外部端口处的电压。SPICE2等效电路中插入了两个电阻 rD和 rS， 它们的值可在模型语句： “ MODEL ”中给定，也可通过 MOSFET中的 NRD和 NRS来确定 。rD RshNRD rS RshNRS 式中， Rsh 漏扩散区和源扩散区薄层电阻 ；NRD 漏扩散区等效的方块数；NRS 源扩散区等效的方块数 。短沟道 MOS场效应管 BSIM3模型 BSIM（ Berkeley short-channel IGFET model） 模型是专门为短沟
11、道MOS场效应晶体管而开发的模型。在 BSIM3模型中考虑了下列效应：（ 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 n 阈值电压 （ 1） 垂直方向非均匀掺杂 （ 2）横向非均匀掺杂 （ 3）短沟道效应 （ 4）窄沟道效应 短沟道 MOS场效应管 BSIM3模型 n 迁移率一个好的表面迁移率模型对于 MOSFET模型
12、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： 短沟道 MOS场效应管 BSIM3模型 n 载流子漂移速度：载流子速度达到饱和时的临界电场 ：载流子饱和速度 ESAT 式中 ：短沟道 MOS场效应管 BSIM3模型 n 强反型时的漏源电流（ 1）截止区（ VGSVTH） IDS 0 （ 2）线性工作区（ VGSVTH， 0VTH， VDS VDSAT） 短沟道 MOS场效应管 BSIM3模型 n 强反型时的漏源电流短沟道 MOS场效应管 BSIM3模型 n 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 ：
