CN108846171B - 仿真mosfet温度电学特性的子电路模型的建立方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种仿真MOSFET温度电学特性的子电路模型的建立方法，包括以下步骤：分别在常温、第一温度、第二温度下对MOSFET进行电学特性测试并记录实际的电学特性曲线，其中第一温度是‑40度以下，第二温度是125度以上；根据常温下的电学特性测试结果提取BSIM模型；在所述BSIM模型基础上定义等效温变电阻以及温度补偿因子得到一个初步的子电路模型；根据在常温、所述第一温度、所述第二温度下的电学特性测试结果，调整等效温变电阻以及温度补偿因子的值使得最终的子电路模型仿真的电学特性曲线能够精确地拟合所述实际的电学特性曲线。所述仿真MOSFET温度电学特性的子电路模型的建立方法可以实现在更宽的温度区间子电路模型仿真的电学特性曲线更加拟合实际情况。

Description

仿真MOSFET温度电学特性的子电路模型的建立方法
技术领域
本发明涉及芯片设计领域，特别涉及一种仿真MOSFET温度电学特性的子电路模型的建立方法。
背景技术
芯片产业已成为衡量一个国家产业竞争力和综合国力的重要标志，是信息化产业的核心。随着半导体制程的发展，器件尺寸缩小至纳米级别。随着集成电路规模的不断发展，电路集成度以及性价比的要求被不断提高，晶圆的尺寸在不断增加，而器件特征尺寸被不断地缩小，电路可靠性的问题变得越来越重要，已经成为目前集成电路发展和应用中必须要重点考虑的因素。尤其在电力、航天、航空技术的应用以及军用等特殊电子装备中对可靠性提出了更高的要求。
其中芯片工作温度作为芯片可靠性中最重要的影响因素，尤其对于工控领域芯片零下50度到高温150度的工作温度尤为重要，保证工控芯片在如此宽泛的温区内正常工作的前提离不开准确的底层器件模型。底层最关键的器件是MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)，MOSFET的BSIM模型(伯克利短沟道绝缘栅场效应晶体管模型)国外已有发展。20世纪70年代末期美国加州大学伯克利分校推出了SPICE软件，其中包含内建的MOSFET模型。虽然历经多年发展和研究，BSIM模型在普通温度环境中(-40度到125度)电学特性曲线拟合还可以，但是在更低的温度和更高的温度工作环境下的电学特性曲线拟合不佳，尤其是输出特性曲线拟合有较大偏差。
图1是一种MOSFET在不同温度下实际测量的输出特性曲线以及BSIM模型仿真的输出特性曲线。图中，MOSFET的长L和宽W都是10um，温度T分别是25度，150度，-50度，Vbs(衬底与源极之间的电压)为0，Vgs(栅极与源极之间的电压)分别是0.6、0.9、1.2、1.5、1.8V。粗线代表MOSFET实际测量的输出特性曲线，细线代表BSIM模型仿真的输出特性曲线，横轴是Vds(漏极与源极之间的电压)，纵轴是Id(漏电流)。从图中可以看出三种温度情况下除了常温25度的拟合情况还可以外，150度和-50度拟合的偏差都比较大，特别是在线性区和饱和区之间过渡的区域。因此单纯以BSIM模型来仿真MOSFET，会影响芯片在宽温范围的可靠性。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种仿真MOSFET温度电学特性的子电路模型的建立方法，可以实现在-150度～50度的宽温区，MOSFET的子电路模型仿真的电学特性曲线与实际测量的电学特性曲线更加拟合。
为实现上述目的，本发明提供了一种仿真MOSFET温度电学特性的子电路模型的建立方法，包括以下步骤：1，分别在常温、第一温度、第二温度下对MOSFET进行电学特性测试并记录实际的电学特性曲线，其中第一温度是-40度以下，第二温度是125度以上；2，根据常温下的电学特性测试结果提取BSIM模型；3，在所述BSIM模型基础上定义等效温变电阻以及温度补偿因子得到一个初步的子电路模型，所述温度补偿因子是与温度相关的参数；4，根据在常温、所述第一温度、所述第二温度下的电学特性测试结果，调整等效温变电阻以及温度补偿因子的值使得最终的子电路模型仿真的电学特性曲线能够精确地拟合所述实际的电学特性曲线。
在一优选的实施方式中，所述第一温度为-50度。
在一优选的实施方式中，所述第二温度为150度。
在一优选的实施方式中，步骤2中采用提参软件BPP来提取BSIM模型。
在一优选的实施方式中，所述等效温变电阻与所述BSIM模型中的MOSFET的漏端串联。
在一优选的实施方式中，所述等效温变电阻与温度之间的关系如下：
rd(T)＝rd0×(1+b×(T-TNOM))，其中，温度T为自变量，rd(T)为所述等效温变电阻的阻值，rd0为常温下的电阻值，b为一个常数系数，TNOM为常温温度。
在一优选的实施方式中，所述温度补偿因子是体电荷效应的栅偏系数ags，其与温度之间的关系如下：ags(T)＝ags(TNOM)+a×(T-TNOM)，其中，温度T为自变量，ags(T)为体电荷效应的栅偏系数ags的值，a为一个常数系数，TNOM为常温温度。
在一优选的实施方式中，所述仿真MOSFET温度电学特性的子电路模型的建立方法中还包括：步骤5，将所述最终的子电路模型带入实际电路进行验证。
与现有技术相比，根据本发明的仿真MOSFET温度电学特性的子电路模型的建立方法具有如下有益效果：
所述仿真MOSFET温度电学特性的子电路模型的建立方法，通过对子电路模型在BSIM模型基础上增加了温变电阻以及温度补偿因子，使得子电路模型中增加了与温度相关的参数，使得在-150度～50度的宽温区，MOSFET的子电路模型仿真的电学特性曲线与实际测量的电学特性曲线更加拟合。
附图说明
图1是一种MOSFET在不同温度下实际测量的输出特性曲线以及BSIM模型仿真的输出特性曲线。
图2是根据本发明一实施方式的一种MOSFET在不同温度下实际测量的输出特性曲线以及子电路模型仿真的输出特性曲线。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
本发明提出了一种仿真MOSFET温度电学特性的子电路模型的建立方法，能够在零下50度到高温150度之间较好地仿真MOSFET电学特性。该子电路模型是在BSIM模型基础上扩展得到的，扩展后的模型可以解决BSIM模型宽温区(-50度到150度)拟合不好的问题。该子电路模型在不改变BSIM模型的基础公式的前提下，一方面引入等效温变电阻，将MOSFET等效为BSIM模拟的基础MOSFET模型和其漏端串联等效温变电阻的模型，另一方面还引入温度补偿因子，该温度补偿因子是与温度相关的参数(如体电荷效应的栅偏系数ags)。
一个模型的实现必须要经过测试、拟合、参数提取、模型验证这些过程。测试是为了采集数据从而进行电学特性曲线的拟合以及模型参数的提取。因此测试的准确性是一个模型是否准确的基础。在本发明一优选的实施例中，建立一个子电路模型来拟合MOSFET的电学特性中的输出特性，该子电路模型的建立方法如下：
1，进行MOSFET尺寸设计以及流片。
2，进行温度电学特性测试(输出特性测试)。首先进行常温MOS的输出特性测试，再进行150度、-50度的MOSFET的输出特性测试。
3，采集测试数据，进行子电路模型的提取。子电路模型提取过程如下：首先提取常温下的BSIM基础模型，优选地，可以采用现有的商用提参软件(BPP)进行常温下BSIM基础模型的提取。
4，在基础模型上扩展定义子电路模型，子电路模型中定义与温度相关的串联等效温变电阻及温度补偿因子。优选地，加入的等效温变电阻公式为：rd(T)＝rd0×(1+b×(T-TNOM))。其中，温度T为自变量，rd(T)为温变电阻的阻值，rd0为常温下的电阻值，b为一个常数系数，TNOM为常温温度。优选地，引入温度补偿因子体电荷效应的栅偏系数ags，Ags的温变函数为：ags(T)＝ags(TNOM)+a×(T-TNOM)，a为一个常数系数；接下来，将等效温度电阻初始值定为0，温度补偿因子初始值定为0，然后根据常温、-50度、150度温度下的具体测试值调整温度补偿因子的值使得模型拟合MOS输出特性曲线的饱和区曲线，调整等效电阻值使得模型拟合MOS输出特性曲线的线性区，最后平衡温度电阻及温度补偿因子共同拟合MOS输出特性曲线的所有区域。最后将模型带入检验电路(如简单的振荡器电路)，进行仿真及验证模型收敛等特性，得到最终的子电路模型。
下面是本实施例的子电路模型在BSIM模型基础上增加的文本：
.param a＝-4.4736e-005b＝-0.005
.param T1＝a*(temper-25)
.param rd0＝228.15
.param rdtem＝rd0*(1+b*(temper-25))
.subckt nmos_ckt d g s b w＝1E-5 l＝5E-7
.r1 d d1 rdtem
.m0 d1 g s b W10L10w＝w l＝1
.ends nmos_ckt
图2是该实施例的不同温度下的输出特性曲线。图中，MOSFET的长L和宽W都是10um，温度T分别是25度，150度，-50度，Vbs(衬底与源极之间的电压)为0，Vgs(栅极与源极之间的电压)分别是0.6、0.9、1.2、1.5、1.8V。粗线代表MOSFET实际测量的输出特性曲线，细线(已经与粗线重合)代表BSIM模型仿真的输出特性曲线，横轴是Vds(漏极与源极之间的电压)，纵轴是Id(漏电流)。从图中可以看出三种温度情况下的拟合情况都比较好。另外本实施例还进行了转移特性曲线的测试，三种温度情况下转移特性曲线拟合良好。
综上所述，本发明通过建立子电路模型来仿真MOSFET温度电学特性，实验证明子电路模型仿真的电学特性曲线拟合度高，保证了芯片仿真数据与实测数据之间的匹配性，提高了芯片可靠性和良率，节省设计资源。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (6)

1.一种仿真MOSFET温度电学特性的子电路模型的建立方法，其特征在于，包括：
步骤1，分别在常温、第一温度、第二温度下对MOSFET进行电学特性测试并记录实际的电学特性曲线，其中第一温度是-40度以下，第二温度是125度以上；
步骤2，根据常温下的电学特性测试结果提取BSIM模型；
步骤3，在所述BSIM模型基础上定义等效温变电阻以及温度补偿因子得到一个初步的子电路模型，所述温度补偿因子是与温度相关的参数；以及
步骤4，根据在常温、所述第一温度、所述第二温度下的电学特性测试结果，调整等效温变电阻以及温度补偿因子的值使得最终的子电路模型仿真的电学特性曲线能够精确地拟合所述实际的电学特性曲线，
其中，所述等效温变电阻与温度之间的关系如下：
rd(T)＝rd0×(1+b×(T-ZNOM))，其中，温度T为自变量，rd(T)为所述等效温变电阻的阻值，rd0为常温下的电阻值，b为一个常数系数，TNOM为常温温度，
其中，所述温度补偿因子是体电荷效应的栅偏系数ags，其与温度之间的关系如下：
ags(T)＝ags(ZNOM)+a×(T-TNOM)，其中，温度T为自变量，ags(T)为体电荷效应的栅偏系数ags的值，a为一个常数系数，TNOM为常温温度。
2.根据权利要求1所述的仿真MOSFET温度电学特性的子电路模型的建立方法，其特征在于，所述第一温度为-50度。
3.根据权利要求1所述的仿真MOSFET温度电学特性的子电路模型的建立方法，其特征在于，所述第二温度为150度。
4.根据权利要求1所述的仿真MOSFET温度电学特性的子电路模型的建立方法，其特征在于，步骤2中采用提参软件BPP来提取BSIM模型。
5.根据权利要求1所述的仿真MOSFET温度电学特性的子电路模型的建立方法，其特征在于，所述等效温变电阻与所述BSIM模型中的MOSFET的漏端串联。
6.根据权利要求1所述的仿真MOSFET温度电学特性的子电路模型的建立方法，其特征在于，还包括：
步骤5，将所述最终的子电路模型带入实际电路进行验证。
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