BSIM4

BSIM4 — новое поколение физических моделей транзисторов, с расширенными возможностями, на 100 нм технологии.

МОП-транзисторы

Преодоление полупроводниковой технологией 0,25-микронного рубежа предъявило новые требования к системам моделирования ИС. Теперь даже цифровые ИС требуют детального схемотехнического моделирования с применением точных компактных моделей.

Классификация моделей транзисторов

Пригодность модели для замещения компонента электрической цепи с целью её машинного моделирования является главным отличительным признаком компактных моделей. Основным противоречием, которое преодолевается при разработке компактной модели, является противоречие между точностью и сложностью. Термин «компактная модель» является общепризнанным в зарубежной литературе и отражает основное требование к таким моделям — требование вычислительной простоты(компактности).

В российской литературе компактные модели называют также электрическими моделями подчеркивая тем самым их назначение моделирование электрических цепей. Используется также термин «компонентная модель», поскольку она служит для моделирования прибора как компонента электрической цепи.В отличие от физико-технологических моделей, которые отражают физические процессы, протекающие в полупроводниковых приборах, и описываются системой дифференциальных уравнений в частных производных, компактные модели отражают поведение прибора только относительно его внешних зажимов и описываются системой обыкновенных дифференциальных уравнений .

К компактным моделям не относятся также достаточно сложные математические модели, описывающие физические процессы в МОП-транзисторах. Эти модели служат для объяснения и глубокого аналитического исследования транзисторных структур с целью их оптимального конструирования и создания элементной базы нового поколения.

Существуют также очень простые модели для ручных аналитических расчётов, которые широко используются для синтеза электрических цепей, для мысленного анализа принципов их работы, для изобретения новых схемных pешений. Их также не относят к компактным моделям.

Физические и формальные компактные модели.

Физические модели создаются в результате анализа физических процессов, протекающих в приборе с упрощенной (модельной) геометрией, с упрощенным распределением легирующих примесей, в одномерном, квазидвумерном или квазитрехмерном приближении. При получении таких моделей используется множество других упрощающих предположений:о диапазоне применимости, о погрешности аппроксимации, о постоянстве параметров и др. Детальное исследование физических процессов и строгое обоснование сделанных допущений очень важно для создания простой и одновременно точной компактной модели.

Несмотря на множество упрощающих предположений, физические модели сохраняют физический смысл своих параметров и часто позволяют установить связь этих параметров с основными параметрами технологического процесса.

Примерами физических моделей являются BSIM3 (BSIM4), EKV, HSPICE Level 28.

В отличие от физических, формальные модели (эмпирические) строятся на основе формального сходства между поведением модели и объекта относительно внешних выводов. При этом уравнения модели выводятся не из физических представлений о работе прибора, а путём экспертного подбора функциональных зависимостей для наилучшей аппроксимации вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик. Для получения таких моделей широко используются методы среднеквадратической подгонки параметров уравнений с целью минимизации погрешности моделирования.

В практике схемотехнического моделирования долгое время использовались как формальные, так и физические модели, однако, последние 10 лет и в настоящее время подавляющее большинство разработчиков СБИС применяют исключительно физические модели, поскольку только они позволяют прогнозировать поведение транзистора при изменении его геометрии и электрофизических параметров.

Задачи решаемые с помощью компактных моделей

Основной группой пользователей компактных моделей являются схемотехники, проектирующие ИС, и технологи, разрабатывающие процесс её изготовления.

С помощью компактных моделей решаются следующие задачи:

a) На этапе проектирования :

• a.проверка функционирования электрической цепи;
• b.анализ чувствительности цепи к изменению параметров её элементов;
• c.прогнозирование характеристик цепи при изменении техпроцесса и размеров элементов;

b) После того, как цепь синтезирована:

• a.оптимизация параметров элементов;
• b.расчёт статистических характеристик

c) Перед передачей проекта в кремниевую мастерскую:

• a.верификация проекта с учётом паразитных элементов;

d) В кремниевой мастерской :

• a.определение стабильности техпроцесса;
• b.разработка новых транзисторов;
• c.прогнозирование характеристик ИС при изменении техпроцесса и размеров элементов;

e) Перенос информации о техпроцессе между кремниевой мастерской и проектировщиками ИС.

BSIM4-новый представитель в семействе, на 100нм технологии

Разработчики

Для решения перечисленных проблем в декабре 1995 г. в рамках альянса предприятий полупроводниковой промышленности Electronic Industry Alliance (EIA) был создан совет по компактным моделям транзисторов [Compact|CMC] (Compact Model Council), в который вошли лидирующие предприятия полупроводниковой индустрии:

AMD, Analog Devices, Avant!, BTA Technology, Cadence Design System, Conexant System, Hewlett Packard, Hitachi, Motorola, IBM, Intel, Lucent Technology, NEC, Philips System, Texas Instruments и TSMC.

Целью совета является стандартизация и решение проблем качества моделей. Ближай шим кандидатом на стандартную модель МОП транзистора была выбрана BSIM3v3 и к настоящему времени она стала первой стандартизованной моделью МОП транзистора. За первые 6 лет работы совета было сделано множество поправок в уравнения моделей, разработаны процедуры их верификации [IEEE97, Benchmarks95].

Работы по усовершенствованию моделей проводятся также в рамках Semiconductor Association, членами которой являются 148 компаний полупроводниковой промышленности.

Вопросы метрологии, аттестации, верификации и тестирования моделей транзисторов разрабатываются также в отделе полупроводниковой электроники NIST (Национального института стандартов США)

Требования к разработке

Ниже приведены требования к компактным моделям, которые соответствуют мнению большинства экспертов, работающих в этой области:

1. Общие требования

• 1.1. Возможность настройки модели (геометрической формы, размера, техпроцесса, внешних воздействий) и её технической поддержки(масштабируемость).
• 1.2. Структура модели должна быть основана на физике.
• 1.3. Простота и интуитивная понятность для пользователя.
• 1.4. Пригодность одновременно как для цифровых, так и аналоговых цепей.
• 1.5. Пригодность для статистического моделирования.
• 1.6. Предсказательная способность(применимость для экстраполяции по физическим параметрам и геометрии).

2.Требования по степени соответствия объекту

• 2.1.Достаточная для конкретной задачи точность.
• 2.2.Максимально возможная достоверность и информационная ёмкость.
• 2.3.Физически объяснимое поведение при любых значениях параметров.
• 2.4.Широкий диапазон изменения переменных.

3.Вычислительные свойства

• 3.1. Вычислительная эффективность(быстрота расчёта, сходимость алгоритмов в SPICE).
• 3.2. Отсутствие внутренних итерационных циклов.
• 3.3. Гладкость функций и производных до третьего порядка включительно.
• 3.4. Гладкость функций по параметрам.

4.Требования к параметрам

• 4.1. Общее к оличество параметров должно быть пользователей минимальным.
• 4.2. Число подгоняемых параметров и их чувствительность должны быть минимальными.
• 4.3. Отсутствие корреляции (избыточности) параметров.
• 4.4. Параметры должны иметь ясную связь.
• 4.5. Простота процедуры экстракции параметров.

5.Организационные требования

• 5.1. Доступность широкому кругу пользователей .
• 5.2. Хорошая документированность.
• 5.3. Высокая квалификация персонала, поддерживающего модель.
• 5.4. Отсутствие высоких требований к квалификации пользователей .
• 5.5. Пригодность для мод елирующих программ разных производителей.
• 5.6. Возможность быстрой разработки и модификации.
• 5.7. Совместимость версий одной и той же модели.
• 5.8. Cовместимость разных моделей по параметрам.
• 5.9. Соответствие стандарту, подтверждённое сертификатом.
• 5.10. Достаточность финансирования процесса разработки.

Новые возможности BSIM4

В 2004 году университет Berkeley представил BSIM4 Version 4.0 с новыми возможностями.

1. Подвижная модель, которая объясняет эффект Кулоновского рассеивания, так же как зависимость длины канала подвижности вследствие сильного легирования.
2. Расширенная модель сопротивления подложки (rbodyMod = 2), у которой увеличена длина и ширина канала, и количество контактов.
3. Параметры сопротивления затвора, XGW, NGCON, который теперь могут быть заданы как отдельные параметры (XGL все ещё, моделируюмый параметр).
4. Дополнительная температурные свойства параметров модели :VOFF, VFBSDOFF.
5. Новый параметр DELVTO, который может использоваться, чтобы показывать изменение порогового напряжения.
6. Новая технология компактного размещения, увеличивает количество каналов связи, повышая производительность модели.
7. Гибкая подложка сопротивления цепи для RF (радиочастотного) моделирования.
8. Новая точная модель теплового шума и его распределения для вынужденного шума затвора.
9. Не-квази-статичная (NQS) модель, включающая стабильное RF (радиочастотное) моделирование и AC моделирование, вычисляющая (NQS) эффект в ёмкостном сопротивлении.
10. Точная модель прямого туннелирования затвора для многих уровней диэлектриков затвора.
11. Обширная и гибкая геометрия паразитных моделей для различных подключений и устройств с большим количеством контактов.
12. Улучшенная модель эффекта объёмного заряда рассеивания.
13. Более точная и мобильная модель для прогнозируемого моделирования.
14. Расширенные диодные характкристики для подключений.
15. Полупроводниковый стабилитрон с и без ограничения тока.
16. Диэлектрическая проницаемость диэлектриков затвора являются параметрами модели.
17. Комплексная модель насыщения тока, включающая все механизмы регулирования и ограничения по скорости насыщения тока.

Полезные ссылки

• http://www-device.eecs.berkeley.edu/~bsim3/bsim4.html
• http://eesof.tm.agilent.com/pdf/rf_cmos_Thomas.pdf
• http://kvmg.org/adms.php adms код генератор, Ngspice, zspice, bsim4.va (BSIM4.3.0 Verilog-A model)

См. также

• модели транзисторов en:Transistor models