CN101458722A - 具有扩展性的rfcmos模型的参数计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有扩展性的RFCMOS模型的参数计算方法，该模型是在BSIM3v3模型中的MOS场效应管的基础上增加了支电路，所述支电路包括栅极的寄生电阻、源极的寄生电阻、漏极的寄生电阻和衬底网络，所述衬底网络包括源极和衬底间的寄生二极管、漏极和衬底间的寄生二极管、源极和衬底间的耦合电阻、漏极和衬底间的耦合电阻、衬底的耦合电阻，所述栅极的寄生电阻和组成衬底网络的各元件均由可变参数计算得出，所述可变参数至少包括晶体管沟道长度、沟道宽度或并联栅极数中的一个。本发明不仅提高了模型精度，还有效地实现了模型的可扩展性，有效降低射频电路的设计成本。

Description

具有扩展性的RFCMOS模型的参数计算方法

技术领域

本发明涉及一种RFCMOS(射频CMOS)模型。

背景技术

随着CMOS工艺的不断发展，深亚微米CMOS器件具有可以传输高频率信号和低噪声等特性，因此越来越多地应用于射频(RF)电路设计，并在无线通讯领域得到广泛应用。

在RFCMOS电路设计中，只有建立准确的RFCMOS模型才能在电路仿真时精确模拟RFCMOS器件的性能，从而节省RFCMOS电路设计周期。RFCMOS模型要求在包含所有低频特性的基础上更着重描述RFCMOS器件的非线性性、高频噪声、非准静态效应等高频性能。

目前为止，业界没有标准的RFCMOS模型，通常是在BSIM3v3模型(Berkeley Short channel Insulated gate field effect transistorModel 3 version 3)的基础上通过增加支电路来模拟RFCMOS器件。

请参阅图1，其中的MOS场效应管11来自于BSIM3v3模型，包括栅极Gi、源极Si、漏极Di和衬底Bi；在其基础上增加的支电路包括栅极电阻R_G、源极电阻R_S、漏极电阻R_D和衬底网络12，构成了RFCMOS等效电路的栅极G、源极S、漏极D和衬底B。栅极电阻R_G是栅极G的寄生电阻，在模拟RFCMOS器件的高频性能时影响较大，源极电阻R_S和漏极电阻R_D分别是源极S和漏极D的寄生电阻。衬底网络12由两个寄生二极管D_SB、D_DB和三个耦合电阻R_SB、R_DB、R_DSB组成，用来模拟RFCMOS器件高频时衬底耦合效应。其中，寄生二极管D_SB表示源极S与衬底B之间形成的二极管，寄生二极管D_DB表示漏极D与衬底B之间形成的二极管，耦合电阻R_SB表示源极S与衬底B之间的耦合电阻，耦合电阻R_DB表示漏极D与衬底B之间的耦合电阻，耦合电阻R_DSB表示衬底B的电阻。

由于RFCMOS版图设计的特殊性，图1所示的RFCMOS模型大多局限于模拟某个特定尺寸或某一小范围尺寸的RFCMOS器件，扩展性较差。如何能在保证上述RFCMOS模型精度的同时，有效提高其扩展性是提高RFCMOS模型设计能力的关键。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有扩展性的RFCMOS模型的参数计算方法，以使所述RFCMOS模型具有较高的精度和良好的扩展性。

为解决上述技术问题，本发明具有扩展性的RFCMOS模型是在BSIM3v3模型中的MOS场效应管的基础上增加了支电路，所述支电路包括栅极的寄生电阻、源极的寄生电阻、漏极的寄生电阻和衬底网络，所述衬底网络包括源极和衬底间的寄生二极管、漏极和衬底间的寄生二极管、源极和衬底间的耦合电阻、漏极和衬底间的耦合电阻、衬底的耦合电阻，所述栅极的寄生电阻、源极和衬底间的寄生二极管、漏极和衬底间的寄生二极管、源极和衬底间的耦合电阻、漏极和衬底间的耦合电阻、衬底的耦合电阻均由可变参数计算得出，所述可变参数至少包括晶体管沟道长度、沟道宽度或并联栅极数中的一个。

本发明所提供的RFCMOS模型的参数计算方法，根据各元件参数的物理意义使其与实际工艺参数(方块电阻)或版图参数(晶体管沟道长度、沟道宽度和并联的栅极数)相关。该模型不仅提高了模型精度，还有效地实现了模型的可扩展性，有效降低射频电路的设计成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明：

图1是基于BSIM3v3模型的RFCMOS模型的示意图；

图2是并联栅极数为2的RFCMOS示意图；

图3是并联栅极数为4的RFCMOS示意图。

图中附图标记为：11—BSIM3v3模型的MOS场效应管；12—衬底网络；Gi、G—栅极；Si、S—源极；Di、D—漏极；Bi、B—衬底；R_G—栅极电阻；R_S—源极电阻；R_D—漏极电阻；D_SB、D_DB—寄生二极管；R_SB、R_DB—耦合电阻；R_DSB—衬底电阻；L—晶体管沟道长度；W—晶体管沟道宽度。

具体实施方式

在RFCMOS电路设计中，为了降低栅极寄生电阻和各种寄生PN结对RFCMOS器件高频性能的影响，RFCMOS器件一般采用多栅极并联的版图结构(Multi-finger结构)。请参阅图2所示的并联栅极数为2的RFCMOS器件和图3所示的并联栅极数为4的RFCMOS器件的示意图，其版图参数包括晶体管沟道长度L、晶体管沟道宽度W和晶体管并联栅极数nf。

在图1所示的RFCMOS模型中，源极电阻R_S和漏极电阻R_D可以利用BSIM3v3模型的参数Rdsw来综合反映，参数Rdsw表示单位宽度的源漏寄生电阻(Parasitic resistance per unit width)，因此源极电阻R_S和漏极电阻R_D不必单独计算，均可以用参数Rdsw表示。

栅极电阻 $R_G=\mathrm{Rgsqr}\×\frac{W}{L\×\mathrm{nf}}+\frac{{\mathrm{\ρ}}_c}{W\×L\×\mathrm{nf}},$ 其中的参数Rgsqr表示栅极电阻R_G的方块电阻，ρ_c表示单位面积的接触孔电阻，这两个参数都是根据实测模型数据提取的。

耦合电阻 $R_{\mathrm{SB}}=\mathrm{Rsbw}\×\frac{L}{W\×\mathrm{nf}},$ 其中的参数Rsbw表示耦合电阻R_SB的方块电阻，是根据实测模型数据提取的。

耦合电阻 $R_{\mathrm{DB}}=\mathrm{Rdbw}\×\frac{L}{W\×\mathrm{nf}},$ 其中的参数Rdbw表示耦合电阻R_DB的方块电阻，是根据实测模型数据提取的。

衬底电阻 $R_{\mathrm{DSB}}=\mathrm{Rdsbw}\×\frac{L}{W},$ 其中的参数Rdsbw表示衬底电阻R_DSB的方块电阻；是根据实测模型数据提取的。

上述四个寄生电阻R_G、R_SB、R_DB、R_DSB的计算公式均与版图参数相关，因此可以适用于不同沟道长度L、沟道宽度W和并联栅极数nf的RFCMOS器件，具有较好的模型扩展性。

寄生二极管D_SB和D_DB的参数是关系到RFCMOS模型精度的关键因素。在图2所示的并联栅极数为2的RFCMOS器件中，两个源极S分别位于两个栅极G的外侧，即位于器件的最外侧；一个漏极D位于两个栅极G之间。在多栅极并联的RFCMOS器件中，源极S和漏极D通常间隔排列在器件最外侧和两个相邻栅极G之间，如图3所示。因此，源极S和漏极D在器件最外侧和两个相邻栅极G之间的个数随着并联栅极数nf的不同而不同，这是决定寄生二极管D_SB和D_DB的参数精度的关键因素之一。

将源极S位于两个相邻栅极G之间的个数设为nsd_in，那么xnsd_in＝[(xnf+1)>>1]-1，其中xnsd_in表示nsd_in的二进制数形式，xnf表示nf的二进制数形式。>>运算表示将二进制数右移，左边的空位由0弥补；>>1运算表示将二进制数右移1位，左边的1个空位由0弥补。

将漏极D位于两个相邻栅极G之间的个数设为ndd_in，那么xndd_in＝xnf>>1，其中xndd_in表示ndd_in的二进制数形式。

将漏极D位于器件最外侧的个数设为ndd_out，那么xndd_out＝xnf&1，其中xndd_out表示ndd_out的二进制数形式。当nf为奇数时，漏极D位于器件最外侧的个数为1，xnf&1为1；当nf为偶数时，漏极D位于器件最外侧的个数为0，xnf&1为0。

将源极S位于器件最外侧的个数设为nsd_out，那么xnsd_out＝2-(xnf&1)，其中xnsd_out表示nsd_out的二进制数形式，&运算表示二进制数的与运算。源极S位于器件最外侧的个数nsd_out等于器件最外侧的个数2减去漏极D位于器件最外侧的个数ndd_out。

以并联栅极数为2的RFCMOS器件为例对上述公式进行验证，nf为2，xnf为010，xnf+1为011，011>>1为001，010>>1为1，xnf&1为0，因此nsd_in为0，ndd_in为1，nsd_out为2，ndd_out为0，这与图2所示的并联栅极数为2的RFCMOS器件相吻合。

再以并联栅极数为4的RFCMOS器件为例为上述公式进行验证，nf为4，xnf为100，xnf+1为101，101>>1为010，100>>1为010，xnf&1为000，因此nsd_in为1，ndd_in为2，xnsd_out为2，xndd_out为0，这与图3所示的并联栅极数为4的RFCMOS器件相吻合。

利用上述计算结果，寄生二极管D_SB有源区一侧周长dsb_perim_locos＝4×hdif×nsd_in+nsd_out×(4×hdif+W)，其中hdif是BSIM3v3模型的参数，表示接触孔中心到栅极边缘的距离。

寄生二极管D_SB栅极一侧周长dsb_perim_gate＝(2×nsd_in+nsd_out)×W。

寄生二极管D_SB的PN结底面面积dsb_area＝2×hdif×W×(nsd_in+nsd_out)。

寄生二极管D_SB的源极饱和电流js_sb＝dsb_area×js+dsb_perim_locos×jsw，其中js和jsw都是BSIM3v3模型的参数，js表示源极或漏极PN结底面单位面积饱和电流(Source/Drain junction saturation current perunit area)，jsw表示侧壁饱和电流密度(side wall saturation currentdensity)。

寄生二极管D_SB的源极底面零偏压结电容cj_sb＝dsb_area×cj，其中cj是BSIM3v3模型的参数，表示PN结单位面积的底面零偏压结电容(Bottomjunction capacitance per unit area at zero bias)。

寄生二极管D_SB的源极侧壁零偏压结电容cjsw_sb＝(dsb_perim_locos×cjsw+dsb_perim_gate×cjswg)，其中cjsw和cjswg都是BSIM3v3模型的参数，cjsw表示源极或漏极单位长度的侧壁(有源区一侧)零偏压结电容(Source/Drain side wall junction capacitance per unit length at zerobias)，cjswg表示源极或漏极单位长度的侧壁(栅极一侧)零偏压结电容(Source/Drain gate sidewall junction capacitance per unit lengthat zero bias)。

根据类似的计算公式还可以计算出寄生二极管DDB的有源区一侧周长ddb_perim_locos＝4×hdif×ndd_in+ndd_out×(4×hdif+W)，栅极一侧周长ddb_perim_gate＝(2×ndd_in+ndd_out)×W，PN结底面面积ddb_area＝2×hdif×W×(ndd_in+ndd_out)，漏极饱和电流js_db＝ddb_area×js+ddb_perim_locos×jsw，漏极底面零偏压结电容cj_db＝ddb_area×cj，漏极侧壁零偏压结电容cjsw_db＝(ddb_perim_locos×cjsw+ddb_perim_gate×cjswg)。

上述所有公式中的沟道长度L、沟道宽度W和并联栅极数nf均可变，即根据不同RFCMOS器件而取不同的值，因此本发明RFCMOS模型的各参数计算方法具有较好的扩展性，适用于各种不同的RFCMOS器件。

Claims (6)

1.一种RFCMOS模型的参数计算方法，所述RFCMOS模型在BSIM3v3模型中的MOS场效应管的基础上增加了支电路，所述支电路包括栅极的寄生电阻、源极的寄生电阻、漏极的寄生电阻和衬底网络，所述衬底网络包括源极和衬底间的寄生二极管、漏极和衬底间的寄生二极管、源极和衬底间的耦合电阻、漏极和衬底间的耦合电阻、衬底的耦合电阻，其特征是：所述栅极的寄生电阻、源极和衬底间的寄生二极管、漏极和衬底间的寄生二极管、源极和衬底间的耦合电阻、漏极和衬底间的耦合电阻、衬底的耦合电阻均由可变参数计算得出，所述可变参数至少包括晶体管沟道长度、沟道宽度或并联栅极数中的一个。

2.根据权利要求1所述的RFCMOS模型的参数计算方法，其特征是：所述源极的寄生电阻和漏极的寄生电阻均由BSIM3v3模型的参数Rdsw计算得出。

3.根据权利要求1所述的RFCMOS模型的参数计算方法，其特征是：栅极的寄生电阻 $R_G=\mathrm{Rgsqr}\×\frac{W}{L\×\mathrm{nf}}+\frac{{\mathrm{\ρ}}_c}{W\×L\×\mathrm{nf}},$ 其中L为晶体管沟道长度，W为晶体管沟道宽度，nf为晶体管并联栅极数，Rgsqr为R_G的方块电阻，ρ_c为单位面积的接触孔电阻；

源极和衬底间的耦合电阻 $R_{\mathrm{SB}}=\mathrm{Rsbw}\×\frac{L}{W\×\mathrm{nf}},$ 其中Rsbw为R_SB的方块电阻；

漏极和衬底间的耦合电阻 $R_{\mathrm{DB}}=\mathrm{Rdbw}\×\frac{L}{W\×\mathrm{nf}},$ 其中Rdbw为R_DB的方块电阻；

衬底的耦合电阻 $R_{\mathrm{DSB}}=\mathrm{Rdsbw}\×\frac{L}{W},$ 其中Rdsbw为R_DSB的方块电阻。

4.根据权利要求1所述的RFCMOS模型的参数计算方法，其特征是：

源极位于两个相邻栅极之间的个数nsd_in的二进制数形式xnsd_in＝[(xnf+1)>>1]-1，其中xnf表示nf的二进制数形式，>>运算符表示将二进制数右移，左边的空位由0弥补；

漏极位于两个相邻栅极之间的个数ndd_in的二进制数形式xndd_in＝xnf>>1；

漏极位于器件最外侧的个数ndd-out的二进制数形式xndd_out＝xnf&1；

源极位于器件最外侧的个数nsd_out的二进制数形式xnsd_out＝2-(xnf&1)，其中&运算符表示二进制数的与运算。

5.根据权利要求3所述的RFCMOS模型的参数计算方法，其特征是：

源极和衬底间的寄生二极管的有源区一侧周长dsb_perim_locos＝4×hdif×nsd_in+nsd_out×(4×hdif+W)，其中hdif为BSIM3v3模型的参数；

源极和衬底间的寄生二极管的栅极一侧周长dsb_perim_gate＝(2×nsd_in+nsd_out)×W；

源极和衬底间的寄生二极管的PN结底面面积dsb area＝2×hdif×W×(nsd_in+nsd_out)；

源极和衬底间的寄生二极管的源极饱和电流js_sb＝dsb_area×js+dsb_perim_locos×jsw，其中js和jsw都是BSIM3v3模型的参数；

源极和衬底间的寄生二极管的源极底面零偏压结电容cj_sb＝dsb_area×cj，其中cj是BSIM3v3模型的参数；

源极和衬底间的寄生二极管的源极侧壁零偏压结电容cjsw_sb＝(dsb_perim_locos×cjsw+dsb_perim_gate×cjswg)，其中cjsw和cjswg都是BSIM3v3模型的参数。

6.根据权利要求3所述的RFCMOS模型的参数计算方法，其特征是：

漏极和衬底间的寄生二极管的有源区一侧周长ddb_perim_locos＝4×hdif×ndd_in+ndd_out×(4×hdif+W)；

漏极和衬底间的寄生二极管的栅极一侧周长ddb_perim_gate＝(2×ndd_in+ndd_out)×W；

漏极和衬底间的寄生二极管的PN结底面面积ddb_area＝2×hdif×W×(ndd_in+ndd_out)；

漏极和衬底间的寄生二极管的漏极饱和电流js_db＝ddb_area×js+ddb_perim_locos×jsw；

漏极和衬底间的寄生二极管的漏极底面零偏压结电容cj_db＝ddb_area×cj；

漏极和衬底间的寄生二极管的漏极侧壁零偏压结电容cjsw_db＝(ddb_perim_locos×cjsw+ddb_perim_gate×cjswg)。

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