KR19990021127A - Modeling Methods and Modeling Circuits for MOSFETs - Google Patents

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KR19990021127A KR1019970044633A KR19970044633A KR19990021127A KR 19990021127 A KR19990021127 A KR 19990021127A KR 1019970044633 A KR1019970044633 A KR 1019970044633A KR 19970044633 A KR19970044633 A KR 19970044633A KR 19990021127 A KR19990021127 A KR 19990021127A
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이찬희
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배순훈
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Abstract

전계 효과 트랜지스터에 대한 모델링 방법 및 회로가 개시되어 있다. 반도체기판상에 게이트 단자, 소오스 단자 및 드레인 단자를 포함하고 스파이스 내장 함수 모델로 사용되고, 소오스 및 드레인 영역 및 게이트전극을 구비하고, 상기 기판의 상부에 형성된 채널 영역을 갖는 전계 효과 트랜지스터를 모델링한다. 상기 드레인 영역과 상기 드레인 단자간의 제 1단자와 상기 소오스 영역과 상기 소오스 단자간의 제 2단자 사이에, 상호 반대 방향의 극성을 갖는 한 쌍의 PN-접합 다이오드를 형성한다. 상기 제 1단자와 상기 드레인 단자간에 드레인 외부 저항이 형성되고, 상기 제 2단자와 상기 소오스 단자간에 소오스 외부 저항이 형성되고, 상기 반도체 기판과 상기 채널 영역 사이에는 외부 기판 저항이 형성된다. 상기 트랜지스터의 채널 항복 특성은 상기 제 1 및 제 2다이오드의 항복 특성을 이용하여 모델링 하고, 상기 다이오드의 직렬 저항 특성은 상기 반도체 기판과 상기 채널 영역 사이에 형성되어 있는 외부 기판 저항을 이용하여 모델링하고, 상기 트랜지스터의 내부 저항은 상기 드레인 외부 저항, 및 상기 소오스 외부 저항으로 각각 모델링한다. 채널 항복 특성과 드레인(소오스)/기판(N-well)간 PN-접합 다이오드의 순방향 직렬 특성을 포함하는 전계효과 트랜지스터를 위한 모델을 얻을 수 있다.A modeling method and circuit for a field effect transistor is disclosed. A field effect transistor including a gate terminal, a source terminal and a drain terminal on a semiconductor substrate and used as a spice built-in function model, having a source and drain region and a gate electrode, and having a channel region formed on the substrate is modeled. A pair of PN-junction diodes having polarities in opposite directions are formed between the first terminal between the drain region and the drain terminal and the second terminal between the source region and the source terminal. A drain external resistor is formed between the first terminal and the drain terminal, a source external resistor is formed between the second terminal and the source terminal, and an external substrate resistance is formed between the semiconductor substrate and the channel region. The channel breakdown characteristic of the transistor is modeled using the breakdown characteristics of the first and second diodes, and the series resistance characteristic of the diode is modeled using an external substrate resistance formed between the semiconductor substrate and the channel region. The internal resistance of the transistor is modeled by the drain external resistance and the source external resistance, respectively. A model can be obtained for a field effect transistor that includes channel breakdown characteristics and forward series characteristics of the drain (source) / substrate (N-well) PN-junction diode.

Description

MOSFET를 위한 모델링 방법 및 모델링 회로Modeling Methods and Modeling Circuits for MOSFETs

본 발명은 반도체 장치의 모델링(modeling) 방법 및 모델링 회로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 ESD 회로의 입력단에 사용하기 위한 MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)에 대한 모델링 방법 및 모델링 회로에 관한 것이다.The present invention relates to a modeling method and a modeling circuit of a semiconductor device, and more particularly, to a modeling method and a modeling circuit for a MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) for use at an input of an ESD circuit. .

최근 들어, ESD(Electrostatic Discharge), EOS(Electric Overstress), 및 Latch-up 등과 관련된 신뢰성 문제가 제품 개발에 있어서 중요한 기술적 과제로 부상하고, 품질 관리의 중요한 지표가 되고 있으며, 이에 따라 MOS 제품의 입력단 및 출력단 정전기 보호 회로 및 관련 소자의 설계와 개발에 대한 필요성이 급속히 제기되어 왔다.In recent years, reliability issues related to electrostatic discharge (ESD), electric overstress (EOS), and latch-up have emerged as important technical challenges in product development, and have become an important indicator of quality control. There has been a rapid need for the design and development of output stage electrostatic protection circuits and related devices.

MOS 제품의 정전기 문제는 크게 입력단 정전 내압 및 출력단 정전 내압의 향상이라는 과제로 크게 구분될 수 있다.The electrostatic problem of MOS products can be largely divided into the tasks of improving the input voltage and the output voltage.

출력단의 정전기에 의한 파괴 현상은 접합 금속 필라멘테이션(contact metal filamentation)에 의한 MOSFET의 결합(junction) 파괴 등에 의한 것이 대부분으로, 출력단 정전 내압의 향상은 출력 버퍼용 MOSFET 소자 및 공정 설계의 개선을 통하여 소자의 전기 열역학적 특성을 개선함으로써 얻을 수 있다. 즉, 소자 설계시 출력 버퍼 FET의 채널 항복(channel breakdown)이 가급적 채널이 전 영역을 통하여 균등하게 일어나도록 설계하므로써 FET의 항복 상태에서의 전류 집중을 방지하고, 아울러 드레인(drain)에서의 접합 금속 공간(contact-to-metal space)을 충분히 증가시킴으로써 필라멘테이션(filamentation)의 전달 지연(propagation delay)을 증가시키는 등의 방법이 그것이다.Electrostatic breakdown of output stage is mostly caused by junction breakdown of MOSFET by contact metal filamentation, and the improvement of electrostatic breakdown voltage of output stage improves MOSFET device and process design for output buffer. This can be achieved by improving the electrothermal properties of the device. In other words, when designing the device, the channel breakdown of the output buffer FET is designed so that the channel occurs evenly through the entire region, so as to prevent current concentration in the breakdown state of the FET, and at the same time, the junction metal in the drain. Such methods include increasing the contact-to-metal space sufficiently to increase the propagation delay of filamentation.

이에 반하여, 입력단의 정전기에 의한 파괴 현상은 주로 입력단 버퍼 FET 게이트-옥사이드의 과전압에 의한 파괴가 주 요인이며, 입력단 버퍼 FET의 게이트(gate)에 인가되는 전압을 게이트 산화물(gate-oxide)의 항복 전압(1.2㎛ CMOS의 경우 약 ±25V) 이하로 제한하는 것이 입력단 보호의 주 기능이라 할 수 있다.On the contrary, the breakdown caused by static electricity at the input stage is mainly caused by the overvoltage of the input buffer FET gate-oxide, and the voltage applied to the gate of the input buffer buffer FET breaks down the gate oxide. Limiting the voltage below about ± 25V for 1.2µm CMOS is the main function of input stage protection.

특히, 입력단 정전기 보호 회로는 관련 소자의 수가 많을 뿐만 아니라(RNWELL, RPOLY, 주 보호 MOSFET(또는 다이오드), 2차 보호 MOSFET 등), 소자의 제반 특성이 종합적으로 정전 내압에 민감한 영향을 미치므로 보호 회로의 최적화 설계 및 정전 내압의 예측을 위한 회로 시뮬레이션 및 이를 뒷받침하기 위한 관련 소자의 스파이스 모델의 개발이 필수적이라 할 수 있다.In particular, the input-level electrostatic protection circuit not only has a large number of related devices (RNWELL, RPOLY, main protection MOSFET (or diode), secondary protection MOSFET, etc.), but also because the overall characteristics of the device have a sensitive effect on the electrostatic breakdown voltage. It is essential to develop a circuit simulation for the optimization of the circuit design and the prediction of the electrostatic breakdown voltage and the development of a spice model of the related device to support the circuit.

상기 MOSFET는 ESD 회로에 사용되는데, 이를 이용하여 회로를 설게하고자 할 때 기존의 회로 시뮬레이터인 스파이스(SPICE; simulation program with integrated circuit emphasis)내에 탑재되어 있는 절연형 전계 효과 트랜지스터(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor; MOSFET)의 서브루틴을 이용하고 있다. 스파이스는 트랜지스터나 집적 회(IC)의 하나 하나를 자세히 시뮬레이션하고 집적 회로를 제조하기 전의 평가를 수행하기 위한 시뮬레이터로서, 이를 이용하여 집적 회로의 내용을 구성하거나 설계 검증시 사용할 경우 회로 설계 시간, 비용 등의 측면에서 많은 효과를 얻을 수 있다.The MOSFET is used in an ESD circuit, and when it is used to build a circuit, an isolated field effect transistor (Metal-Oxide-Semiconductor Field) mounted in a conventional circuit simulator (SPICE), a simulation program with integrated circuit emphasis (SPICE). Subroutines of Effect Transistors (MOSFETs) are used. Spice is a simulator for detailed simulation of transistors or integrated circuits (ICs) and evaluation before fabricating integrated circuits, which can be used to construct and verify the contents of integrated circuits. There are many effects in terms of back.

도 1은 MOSFET의 과도 현상 해석(transient analysis) 등가 회로를 나타낸 회로도이다.1 is a circuit diagram showing a transient analysis equivalent circuit of a MOSFET.

도 1의 등가 회로는 기판(substrate), 드레인(drain), 게이트(gate), 소오스(source), 및 커패시턴스, 저항, 다이오드, 전류 소스로구성된다. 도 1내에 포함된 요소를 정상적으로 해석하면, 다음과 같다. 저항(Rd, Rs)는 드레인과 소오스단에서 전압 강하를 나타내기 위한 내부 저항이고, 커패시턴스는 게이트, 소오스, 드레인, 및 기판간에 공정 편차에 의하여 발생하는 정전 용량이고, 2개의 전류원은 드레인에서 소오스(및 기판)간에 이동하는 전류 또는 전자의 양을 나타내기 위한 성분이다.The equivalent circuit of FIG. 1 consists of a substrate, a drain, a gate, a source, and a capacitance, resistor, diode, and current source. When the elements included in FIG. 1 are normally interpreted, they are as follows. The resistors Rd and Rs are internal resistances for indicating the voltage drop at the drain and the source end, and the capacitance is the capacitance generated by the process deviation between the gate, the source, the drain, and the substrate, and the two current sources are the source at the drain. It is a component for indicating the amount of current or electrons moving between (and the substrate).

도 1에 나타낸 MOSFET에는 MOSFET의 채널 항복 특성이 모델에 포함되어 있지 않을 뿐만 아니라, 드레인 및 소오스의 활성 확산 영역(active diffusion region)과 기판(혹은 well) 사이에 형성되는 PN-접합 다이오드의 직렬 저항 또는 포함되어 있지 않다. 따라서, 이들 특성을 각각 PN-다이오드와 저항을 별도로 삽입하여 모델링할 필요가 있다. 다만 편의상 MOSFET의 과도 현상 해석(transient analysis) 등가 회로를 기본 회로 블럭으로 채택한다.The MOSFET shown in FIG. 1 does not include the channel breakdown characteristic of the MOSFET in the model, as well as the series resistance of the PN-junction diode formed between the active diffusion region of the drain and source and the substrate (or well). Or not included. Therefore, these characteristics need to be modeled by separately inserting a PN-diode and a resistor, respectively. However, for convenience, the transient analysis equivalent circuit of the MOSFET is adopted as the basic circuit block.

따라서, 본 발명의 제 1의 목적은 채널 항복 특성과 드레인(소오스)/기판(N-well)간 PN-접합 다이오드의 순방향 직렬 특성을 포함하는 MOSFET의 모델링을 방법을 제공하기 위한 것이다.Accordingly, a first object of the present invention is to provide a method for modeling a MOSFET including channel breakdown characteristics and forward series characteristics of a drain (source) / substrate (N-well) PN-junction diode.

본 발명의 제 2의 목적은 상기 모델링 방법에 의해 생성된 모델링 회로를 제공하는 것이다.It is a second object of the present invention to provide a modeling circuit generated by the modeling method.

도 1은 MOSFET의 과도 현상 해석 등가 회로를 나타낸 회로도이다.1 is a circuit diagram showing a transient analysis equivalent circuit of a MOSFET.

도 2a 내지 도 2b는 본 발명에 따른 mosfet의 과도 현상 해석 등가 회로를 나타낸다.2A to 2B show a transient analysis equivalent circuit of mosfet according to the present invention.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for main parts of the drawings

MOSFET : 전계 효과 트랜지스터MOSFET: Field Effect Transistor

GATE : 게이트 DRAIN : 드레인GATE: Gate DRAIN: Drain

SOURCE : 소오스 SUBSTRATE : 기판SOURCE: Source SUBSTRATE: Substrate

Rd, Rs, RDEX, RSEX, RBEX : 저항Rd, Rs, RDEX, RSEX, RBEX: Resistor

Cgb, Cgs, Csb Cgd, Cdb : 커패시턴스Cgb, Cgs, Csb Cgd, Cdb: Capacitance

Dsb, Ddb, DDS1, DDS2 : 다이오드Dsb, Ddb, DDS1, DDS2: Diode

N11, N12, N13, N14, N21, N22, N23, N24 : 접속 단자N11, N12, N13, N14, N21, N22, N23, N24: connection terminal

상기한 본 발명의 제 1의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 반도체 기판상에 게이트 단자, 소오스 단자 및 드레인 단자를 포함하고 반도체기판상에 형성되어 구성된 스파이스 내장 함수 모델로 사용되고, 소오스 및 드레인 영역 및 게이트 전극을 구비하고, 상기 반도체 기판의 상부에 형성된 채널 영역을 갖는 전계 효과 트랜지스터를 모델링하는 단계; 상기 드레인 영역과 상기 드레인 단자간의 제 1단자와 상기 소오스 영역과 상기 소오스 단자간의 제 2단자 사이에 접속되어 있고, 상호 반대 방향의 극성을 갖는 한 쌍의 PN-접합 제 1 및 제 2다이오드를 형성하는 단계; 상기 제 1단자와 상기 드레인 단자간에 형성되어 있는 드레인 외부 저항, 상기 제 2단자와 상기 소오스 단자간에 형성되어 있는 소오스 외부 저항 및 상기 반도체기판과 상기 채널 영역 사이에 형성되어 있는 외부 기판 저항을 형성하는 단계; 상기 전계 효과 트랜지스터의 채널 항복 특성은 상기 제 1 및 제 2다이오드의 항복 특성을 이용하여 모델링하는 단계; 상기 제 1단자와 상기 제 2단자간에 형성된 제 1 및 제 2 다이오드의 직렬 저항 특성은 상기 반도체 기판과 상기 채널 영역 사이에 형성되어 있는 외부 기판 저항을 이용하여 모델링하는 단계; 및 전계 효과 트랜지스터의 내부 저항은 상기 드레인 외부 저항, 및 상기 소오스 외부 저항으로 각각 모델링하는 단계로 구성된 전계 효과 트랜지스터의 스파이스 모델링 방법을 제공한다.In order to achieve the first object of the present invention described above, the present invention is used as a spice built-in function model including a gate terminal, a source terminal and a drain terminal on a semiconductor substrate and formed on the semiconductor substrate, and the source and drain regions. And modeling a field effect transistor having a gate electrode and having a channel region formed on the semiconductor substrate. A pair of PN-junction first and second diodes connected between a first terminal between the drain region and the drain terminal and a second terminal between the source region and the source terminal and having opposite polarities to each other; Doing; Forming a drain external resistor formed between the first terminal and the drain terminal, a source external resistor formed between the second terminal and the source terminal, and an external substrate resistor formed between the semiconductor substrate and the channel region. step; Modeling channel breakdown characteristics of the field effect transistor using breakdown characteristics of the first and second diodes; Modeling the series resistance characteristics of the first and second diodes formed between the first terminal and the second terminal using an external substrate resistance formed between the semiconductor substrate and the channel region; And modeling the internal resistance of the field effect transistor as the drain external resistance and the source external resistance, respectively.

상기한 본 발명의 제 2의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 게이트 단자, 소오스 단자 및 드레인 단자를 포함하고 반도체 기판상에 형성되어 구성된 스파이스 내장 함수 모델로 사용되고, 소오스 및 드레인 영역 및 게이트 전극을 구비하고, 상기 반도체 기판의 상부에 형성된 채널 영역을 갖는 전계 효과 트랜지스터; 상기 드레인 영역과 상기 드레인 단자간의 제 1단자와 상기 소오스 영역과 상기 소오스 단자간의 제 2단자 사이에 접속되어 있고, 제 3단자에 백-투-백으로 접속되는 한 쌍의 PN-접합 제 1 및 제 2다이오드; 상기 제 1단자와 상기 드레인 단자간에 형성되어 있는 드레인 외부 저항; 상기 제 2단자와 상기 소오스 단자간에 형성되어 있는 소오스 외부 저항; 및 상기 반도체 기판과 상기 채널 영역 사이에 형성되어 있는 외부 기판 저항으로 구성된 전계 효과 트랜지스터의 스파이스 모델링 회로를 제공한다.In order to achieve the above-mentioned second object of the present invention, the present invention is used as a spice built-in function model including a gate terminal, a source terminal, and a drain terminal and formed on a semiconductor substrate. A field effect transistor having a channel region formed on the semiconductor substrate; A pair of PN-junctions connected between a first terminal between the drain region and the drain terminal and a second terminal between the source region and the source terminal and back-to-back connected to a third terminal; Second diode; A drain external resistor formed between the first terminal and the drain terminal; A source external resistor formed between the second terminal and the source terminal; And an external substrate resistor formed between the semiconductor substrate and the channel region.

본 발명에 의하면 NMOS FET와 PMOS FET의 채널 항복 특성과 드레인(소오스)/기판(N-Well)간 PN-접합 다이오드의 순방향 직렬 저항 특성을 이용하여 모델링 한다. 따라서, 등가 회로에 포함된 PN-접합 다이오드의 채널 강하 특성 및 순방향 직렬 특성으로부터 드레인 또는 소오스에 걸리는 과전압으로부터 회로를 보호할 수 있는 입력단의 ESD 보호 회로를 MOSFET를 사용하여 구현하는 것이 가능하다.According to the present invention, the channel breakdown characteristics of the NMOS FET and the PMOS FET are modeled using the forward series resistance characteristics of the PN-junction diode between the drain (source) and the substrate (N-Well). Thus, it is possible to implement an ESD protection circuit at the input stage that can protect the circuit from overvoltage on the drain or source from the channel drop characteristic and forward series characteristic of the PN-junction diode included in the equivalent circuit.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명에 따른 MOSFET의 과도 현상 해석(transient analysis) 등가 회로를 나타낸다. 도 2(a)는 NMOS FET에 대한 과도 현상 해석 등가 회로이고, 도 2(b)는 PMOS FET에 대한 과도 현상 해석 등가 회로이다. 도 2는 NMOS FET와 PMOS FET의 채널 강하 특성과 드레인(소오스)/기판(N-Well)간 PN-접합 다이오드의 순방향 직렬 저항 특성을 포함하는 과도 현상 해석(transient analysis) 등가 회로를 나타낸다.2 shows a transient analysis equivalent circuit of a MOSFET according to the present invention. 2 (a) is a transient analysis equivalent circuit for the NMOS FET, Figure 2 (b) is a transient analysis equivalent circuit for the PMOS FET. FIG. 2 shows a transient analysis equivalent circuit including channel drop characteristics of the NMOS FET and PMOS FET and forward series resistance characteristics of the PN-junction diode between the drain (source) / substrate (N-Well).

도 2a 내지 도 2에서 MN과 MP는 각각 상기 도 1에 나타낸 NMOS 및 PMOS FET의 스파이스 과도 현상 해석 등가 회로이며, 도 1의 Rd와 Rs는 각각 0Ω으로 놓는다. 도 2에서와 같이 MOSFET의 채널 항복 특성은 백투백(back-to-back)으로 연결된 PN-접합 다이오드(DDS1, DDS2)의 항복 특성을 이용하여 모델링하고, 드레인(소오스) 활성 영역과 기판(혹은 N-well) 간에 형성되는 PN-접합 다이오드의 직렬 저항 특성은 외부 저항 RBEX를 이용하여 모델링한다. 한편, MOSFET의 스파이스 파라미터중 RD와 RS는 외부저항 RDEX와 RSEX로 각각 모델링한다. (즉, 모델 입력시 RD=0, RS=0으로 하여야 한다.)2A to 2, MN and MP are spice transient analysis equivalent circuits of the NMOS and PMOS FETs shown in FIG. 1, respectively, and Rd and Rs of FIG. As shown in FIG. 2, the channel breakdown characteristic of the MOSFET is modeled using the breakdown characteristics of the PN-junction diodes DDS1 and DDS2 connected back-to-back, and the drain (source) active region and the substrate (or N). The series resistance of a PN-junction diode formed between the wells is modeled using an external resistor RBEX. On the other hand, RD and RS are modeled by external resistors RDEX and RSEX, respectively. (I.e., RD = 0, RS = 0 when model input)

도 2a는 본 발명에 따른 NMOS FET의 스파이스 등가 회로로서, 도 1에 나타낸 MOSFET의 등가 회로에 채널 항복 특성을 가진 PN-접합 다이오드를 추가한 것이다.2A is a spice equivalent circuit of an NMOS FET according to the present invention, in which a PN-junction diode having channel breakdown characteristics is added to the equivalent circuit of the MOSFET shown in FIG.

상기 도 2a를 참조하면, 반도체 기판상에 게이트 단자(gte), 소오스 단자(src) 및 드레인 단자(drn)를 포함하고 반도체 기판상에 형성되어 구성된 스파이스 내장 함수 모델로 사용되고, 소오스 및 드레인 영역 및 게이트 전극을 구비하고, 상기 반도체 기판의 상부에 형성된 채널 영역(N14)을 갖는 전계 효과 트랜지스터(NMOS FET)를 모델링한다.Referring to FIG. 2A, the source and drain regions may be used as a spice built-in function model including a gate terminal gte, a source terminal src, and a drain terminal drn formed on a semiconductor substrate. A field effect transistor (NMOS FET) having a gate electrode and having a channel region N14 formed on the semiconductor substrate is modeled.

상기 전계 효과 트랜지스터에서, 상기 드레인 영역과 상기 드레인 단자(drn)간의 제 1단자(N11)와 상기 소오스 영역과 상기 소오스 단자(src)간의 제 2단자(N12) 사이에 접속되어 있고, 상호 반대 방향의 극성을 갖는 한 쌍의 PN-접합 제 1 및 제 2다이오드(DD1, DD2)가 형성되어 있고, 상기 제 1단자(N11)와 상기 드레인 단자(drn)간에 드레인 외부 저항(RDEX)이 형성된다. 상기 제 2단자(N12)와 상기 소오스 단자(src) 간에는 소오스 외부 저항(RSEX)이 형성되고, 상기 반도체 기판과 상기 채널 영역 사이에는 외부 기판 저항(RBEX)이 형성되어 있다.In the field effect transistor, the first terminal N11 between the drain region and the drain terminal drn and the second terminal N12 between the source region and the source terminal src are connected to each other in opposite directions. A pair of PN-junction first and second diodes DD1 and DD2 having a polarity of is formed, and a drain external resistor RDEX is formed between the first terminal N11 and the drain terminal drn. . A source external resistor RSEX is formed between the second terminal N12 and the source terminal src, and an external substrate resistor RBEX is formed between the semiconductor substrate and the channel region.

상기 전계 효과 트랜지스터의 채널 항복 특성은 상기 제 1 및 제 2다이오드(DDS1, DDS2)의 항복 특성을 이용하여 모델링하고, 상기 제 1단자(N11)와 상기 제 2단자(N12)간에 형성된 제 1 및 제 2다이오드(DDS1, DDS2)의 직렬 저항 특성은 상기 반도체 기판과 상기 채널 영역 사이에 형성되어 있는 외부 기판 저항(RBEX)을 이용하여 모델링한다. 전계 효과 트랜지스터의 내부 저항(RD, RS)는 상기 드레인 외부 저항(RDEX), 및 상기 소오스 외부 저항(RSEX)으로 각각 모델링하게 된다.The channel breakdown characteristics of the field effect transistor are modeled using the breakdown characteristics of the first and second diodes DDS1 and DDS2, and are formed between the first terminal N11 and the second terminal N12. The series resistance characteristics of the second diodes DDS1 and DDS2 are modeled using an external substrate resistance RBEX formed between the semiconductor substrate and the channel region. The internal resistances RD and RS of the field effect transistor are modeled as the drain external resistance RDEX and the source external resistance RSEX, respectively.

도 2b는 본 발명에 따른 PMOS FET의 스파이스 등가 회로로서, 동작 원리는 도 2a에 보인 NMOS FET의 스파이스 등가 회로와 동일하다.FIG. 2B is a spice equivalent circuit of the PMOS FET according to the present invention, the operation principle of which is the same as that of the NMOS FET shown in FIG. 2A.

본 발명에 따른 MOS FET를 실제로 공정을 이용하여 제작하기 전에 본 MOS FET의 성능을 평가하기 위하여 시뮬레이션을 수행하는 단계는 공정을 수행하기 전에 필수적인 작업이라 할 수 있다. 따라서, 기존의 회로 설계용 시뮬레이터인 스파이스로도 2의 회로를 시뮬레이션할 수 있다.In order to evaluate the performance of the MOS FET before actually manufacturing the MOS FET according to the present invention, performing a simulation may be an essential task before performing the process. Therefore, the circuit of 2 can also be simulated by the Spice which is a conventional circuit design simulator.

도 2a 내지 도 2b에 나타낸 NMOS FET 및 PMOS FET의 스파이스 시뮬레이션을 위한 코드는 다음과 같다.Codes for spice simulation of the NMOS FET and PMOS FET shown in Figs. 2A to 2B are as follows.

*---------------------------------------* ---------------------------------------

.subckt NMOST drn grn gte src sub.subckt NMOST drn grn gte src sub

*---------------------------------------* ---------------------------------------

.param RD_NMOS=33.78 RS_NMOS=33.78.param RD_NMOS = 33.78 RS_NMOS = 33.78

+ L=LENGTH, W=WIDTH+ L = LENGTH, W = WIDTH

+ AD='W*WD' AS='W*WS'+ AD = 'W * WD' AS = 'W * WS'

+ PD='2*(W+WD) 'PS='2*(W+WS)'+ PD = '2 * (W + WD)' PS = '2 * (W + WS)'

MOSFET 1 gte2 4 NMOS L=L W=W AD=AD PD=PD AS=ASPS=PSMOSFET 1 gte2 4 NMOS L = L W = W AD = AD PD = PD AS = ASPS = PS

DDS1 1 3 NMOSD AREA='W*1u'DDS1 1 3 NMOSD AREA = 'W * 1u'

DDS2 2 3 NMOSD AREA=W*1u'DDS2 2 3 NMOSD AREA = W * 1u '

RDEX drn 1 R='RD_NMOS*(25u/W)'RDEX drn 1 R = 'RD_NMOS * (25u / W)'

RSEX src 2 R='RS_NMOS*(25u/W)'RSEX src 2 R = 'RS_NMOS * (25u / W)'

RBEXsub4R='149*(20u*20u)/AD'RBEXsub4R = '149 * (20u * 20u) / AD'

.ends.ends

*---------------------------------------* ---------------------------------------

.subckt PMOST drn gte src sub.subckt PMOST drn gte src sub

*---------------------------------------* ---------------------------------------

.param RD_PMOS=55.99 RS_NMOS=55.99.param RD_PMOS = 55.99 RS_NMOS = 55.99

+ L=LENGTH, W=WIDTH+ L = LENGTH, W = WIDTH

+ AD='W*WD' AS='W*WS'+ AD = 'W * WD' AS = 'W * WS'

+ PD='2*(W+WD) 'PS='2*(W+WS)'+ PD = '2 * (W + WD)' PS = '2 * (W + WS)'

MOSFET 1 gte2 4 NMOS L=L W=W AD=AD PD=PD AS=ASPS=PSMOSFET 1 gte2 4 NMOS L = L W = W AD = AD PD = PD AS = ASPS = PS

DDS1 3 1 NMOSD AREA='W*1u'DDS1 3 1 NMOSD AREA = 'W * 1u'

DDS2 3 2 NMOSD AREA=W*1u'DDS2 3 2 NMOSD AREA = W * 1u '

RDEX drn 1 R='RD_PMOS*(25u/W)'RDEX drn 1 R = 'RD_PMOS * (25u / W)'

RSEX src 2 R='RS_PMOS*(25u/W)'RSEX src 2 R = 'RS_PMOS * (25u / W)'

RBEX sub 4 R='37*(20u*20u)/AD'RBEX sub 4 R = '37 * (20u * 20u) / AD '

.ends.ends

**

상기 스파이스 시뮬레이션을 위한 코드에 있어서, 'subckt NMOS drn gte src sub'는 채널의 항복 특성 및 드레인, 소오스, 활성 영역과 기판 사이의 접합 특성을 포함하는 NMOS FET 스파이스 모델이고, 'RD_NMOS, RS_NMOS'는 NMOS FET의 드레인, 소오스, 옴 시트(ohmic sheet) 저항 (LEVEL3 스파이스 파라미터의 RS, RD를 각각 입력한다)을 나타낸다. 'MOSFET' 스파이스 내에 내장된 MOSFET 모델이고, 'DDS1, DDS2'는 MOSFET 채널 강하의 스파이스 다이오드 등가 모델이다. 'RDEX, RSEX'는 드레인, 소오스 옴 저항으로 레벨 3스파이스 파라미터의 RD 및 RS는 기하학적 요소를 포함하지 않으므로 게이트 폭(W)로 스케일링하여야 한다. 'RBEX'는 드레인 및 소오스의 활성 확산과 기판 사이의 접합 다이오드 직렬 저항의 등가 모델이다.In the code for spice simulation, 'subckt NMOS drn gte src sub' is an NMOS FET spice model including the breakdown characteristics of the channel and the junction between the drain, the source, the active region and the substrate, and 'RD_NMOS, RS_NMOS' The drain, source, and ohmic sheet resistances of the NMOS FETs (RS, RD of the LEVEL3 spice parameters are input, respectively). The MOSFET model is embedded in a MOSFET spice, and the DDS1 and DDS2 are spice diode equivalent models of MOSFET channel drop. 'RDEX and RSEX' are drain and source ohmic resistors. RD and RS of level 3 spice parameters do not contain geometric elements and must be scaled to the gate width (W). 'RBEX' is an equivalent model of the active diffusion of drain and source and the junction diode series resistance between the substrate.

상기 코드를 도 2a 및 도 2b에 나타낸 회로도의 기호를 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 상기 코드는 NMOS FET, 및 PMOS FET에 대한 코드 부분으로 구분된다. 상기 NMOS FET에 대한 코드 부분을 예를 들어 자세히 설명하면, 드레인 단자(drn), 게이트 단자(gte), 소오스 단자(src), 및 소오스 및 드레인 영역 및 게이트 전극을 구비하고, 상기 반도체 기판의 상부에 형성된 채널 영역(N14)을 갖는 전계 효과 트랜지스터(MOSFET), 제 1단자(N11)와 제 3단자(N13)간에 연결된 제 1다이오드(DDS1), 제 1단자(N12)와 제 3단자(N13)간에 연결된 제 2다이오드(DDS2), 드레인 단자(drn)와 드레인 영역간에 연결된 드레인 외부 저항(RDEX), 소오스 단자(src)와 제 2단자(N12)간에 연결된 소오스 외부 저항(RSEX), 상기 반도체 기판과 상기 채널 영역 사이(N14)에 형성되어 있는 외부 기판 저항(RBEX)으로 구성된다.The code will be described in more detail with reference to the symbols in the circuit diagrams shown in FIGS. 2A and 2B. The code is divided into NMOS FETs and code portions for PMOS FETs. The code portion for the NMOS FET is described in detail, for example, and includes a drain terminal drn, a gate terminal gte, a source terminal src, and a source and drain region and a gate electrode, and an upper portion of the semiconductor substrate. A field effect transistor (MOSFET) having a channel region (N14) formed therein, a first diode (DDS1), a first terminal (N12), and a third terminal (N13) connected between the first terminal (N11) and the third terminal (N13). ), The second diode DDS2 connected between the second diode, the drain external resistor RDEX connected between the drain terminal drn, and the drain region, the source external resistor RSEX connected between the source terminal src, and the second terminal N12, and the semiconductor. An external substrate resistor RBEX is formed between the substrate and the channel region N14.

상기 NMOS FET에 대한 코드 부분을 예를 들어 자세히 설명하면, 드레인 단자(drn), 게이트 단자(gte), 소오스 단자(src), 및 소오스 및 드레인 영역 및 게이트 전극을 구비하고, 상기 반도체 기판의 상부에 형성된 채널 영역(N24)을 갖는 전계 효과 트랜지스터(MOSFET), 제 1단자(N21)와 제 3단자(N23)간에 연결된 제 1다이오드(DDS1), 제 1단자(N12)와 제 3단자(N23)간에 연결된 제 2다이오드(DDS2), 드레인 단자(drn)와 드레인 영역간에 연결된 드레인 외부 저항(RDEX), 소오스 단자(src)와 제 2단자(N22)간에 연결된 소오스 외부 저항(RSEX), 상기 반도체 기판과 상기 채널영역 사이(N24)에 형성되어 있는 외부 기판 저항(RBEX)으로 구성된다.The code portion for the NMOS FET is described in detail, for example, and includes a drain terminal drn, a gate terminal gte, a source terminal src, and a source and drain region and a gate electrode, and an upper portion of the semiconductor substrate. A field effect transistor (MOSFET) having a channel region N24 formed therein, a first diode DDS1, a first terminal N12, and a third terminal N23 connected between the first terminal N21 and the third terminal N23. The second diode DDS2 connected between the second diode DDS2, the drain external resistor RDEX connected between the drain terminal drn and the drain region, the source external resistor RSEX connected between the source terminal src and the second terminal N22, and the semiconductor An external substrate resistor RBEX is formed between the substrate and the channel region N24.

즉, 상기 스파이스 코드는 상기 본 발명에 따른 도 2a, 및 도 2b의 MOSFET과도 현상 해석 등가 회로를 스파이스 문법에 맞게 코드화 한 것이라 할 수 있다.That is, the spice code may be said to be coded according to the grammar of the phenomena analysis equivalent circuit with the MOSFETs of FIGS. 2A and 2B according to the present invention.

따라서, 상기 나타낸 도 2a, 및 도 2b의 등가 회로에 포함된 PN-접합 다이오드의 채널 강하 특성 및 순방향 직렬 특성으로부터 드레인 또는 소오스에 걸리는 과전압으로부터 회로를 보호할 수 있는 입력단의 ESD 보호 회로를 MOSFET를 사용하여 구현하는 것이 가능하다.Therefore, the MOSFET protection circuit of the input stage capable of protecting the circuit from the overvoltage applied to the drain or the source from the channel drop characteristic and the forward series characteristic of the PN-junction diode included in the equivalent circuit of Figs. 2A and 2B shown above. It is possible to implement using

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 MOSFET를 위한 모델링에 의하면, 기존의 MOSFET에 채널 강하 특성과 드레인(소오스)/기판(N-well)간 PN-접합 다이오드의 순방향 직렬 특성을 포함하는 MOSFET의 모델을 설계함으로써 드레인 또는 소오스에 걸리는 과전압으로부터 회로를 보호할 수 있는 입력단의 ESD 보호 회로를 MOSFET를 사용하여 구현하는 것이 가능하다.As described above, according to the modeling for the MOSFET according to the present invention, a model of the MOSFET including the channel drop characteristics and the forward series characteristics of the PN-junction diode between the drain (source) and the substrate (N-well) in the conventional MOSFET By design, it is possible to implement an ESD protection circuit at the input stage using a MOSFET that protects the circuit from overvoltage across the drain or source.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, although described with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art will be variously modified without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below. And can be changed.

Claims (7)

반도체 기판상에 게이트 단자(gte), 소오스 단자(src) 및 드레인 단자(drn)를 포함하고 반도체기판상에 형성되어 구성된 스파이스 내장 함수 모델로 사용되고, 소오스 및 드레인 영역 및 게이트 전극을 구비하고, 상기 반도체 기판의 상부에 형성된 채널 영역(N14)을 갖는 전계 효과 트랜지스터(MOS FET)를 모델링하는 단계;It is used as a spice built-in function model which is formed on a semiconductor substrate and includes a gate terminal (gte), a source terminal (src) and a drain terminal (drn) on a semiconductor substrate, and has a source and drain region and a gate electrode. Modeling a field effect transistor (MOS FET) having a channel region N14 formed over the semiconductor substrate; 상기 드레인 영역과 상기 드레인 단자(drn)간의 제 1단자(N11)와 상기 소오스 영역과 상기 소오스 단자(src)간의 제 2단자(N12) 사이에 접속되어 있고, 상호 반대 방향의 극성을 갖는 한 쌍의 PN-접합 제 1 및 제 2다이오드(DDS1, DDS2)를 형성하는 단계;A pair connected between a first terminal N11 between the drain region and the drain terminal drn and a second terminal N12 between the source region and the source terminal src and having polarities in opposite directions. Forming PN-junction first and second diodes (DDS1, DDS2) of the; 상기 제 1단자(N11)와 상기 드레인 단자(drn)간에 형성되어 있는 드레인 외부 저항(RDEX), 상기 제 2단자(N12)와 상기 소오스 단자(src)간에 형성되어 있는 소오스 외부 저항(RSEX) 및 상기 반도체기판과 상기 채널 영역 사이에 형성되어 있는 외부 기판 저항(RBEX)을 형성하는 단계;A drain external resistor (RDEX) formed between the first terminal (N11) and the drain terminal (drn), a source external resistor (RSEX) formed between the second terminal (N12) and the source terminal (src); Forming an external substrate resistor (RBEX) formed between the semiconductor substrate and the channel region; 상기 전계 효과 트랜지스터의 채널 항복 특성은 상기 제 1 및 제 2다이오드(DDS1, DDS2)의 항복 특성을 이용하여 모델링하는 단계;Modeling channel breakdown characteristics of the field effect transistor using breakdown characteristics of the first and second diodes DDS1 and DDS2; 상기 제 1단자(N11)와 상기 제 2단자(N12)간에 형성된 제 1 및 제 2 다이오드(DDS1, DDS2)의 직렬 저항 특성은 상기 반도체 기판과 상기 채널 영역 사이에 형성되어 있는 외부 기판 저항(RBEX)을 이용하여 모델링하는 단계; 및The series resistance characteristic of the first and second diodes DDS1 and DDS2 formed between the first terminal N11 and the second terminal N12 is an external substrate resistance RBEX formed between the semiconductor substrate and the channel region. Modeling using; And 전계 효과 트랜지스터의 내부 저항(RD, RS)은 상기 드레인 외부 저항(RDEX), 및 상기 소오스 외부 저항(RSEX)으로 각각 모델링하는 단계로 구성된 전계 효과 트랜지스터(MOS FET)의 스파이스 모델링 방법.And modeling internal resistances RD and RS of the field effect transistors as the drain external resistance RDEX and the source external resistance RSEX, respectively. 제 1항에 있어서, 상기 전계 효과 트랜지스터는 N-형인 것을 특징으로 하는 스파이스 모델링 방법.The method of claim 1 wherein the field effect transistor is N-type. 제 2항에 있어서, 상기 제 1다이오드(DDS1)의 n극단자와 제 1단자(N11)가 접속되고, 상기 제 2다이오드(DDS2)의 n극단자와 제 2단자(N12)가 접속되고, 상기 제 1다이오드(DDS1)의 p극단자와 상기 제 2다이오드(DDS2)의 p극단자가 제 3단자(N13)에 백-투-백으로 접속되도록 모델링하는 전계 효과 트랜지스터(NMOS FET)의 스파이스 모델링 방법.The n-pole terminal and the first terminal N11 of the first diode DDS1 are connected, and the n-pole terminal and the second terminal N12 of the second diode DDS2 are connected. Spice modeling of a field effect transistor (NMOS FET) for modeling the p-pole terminal of the first diode DDS1 and the p-pole terminal of the second diode DDS2 to be connected back-to-back to the third terminal N13. Way. 제 1항에 있어서, 상기 전계 효과 트랜지스터는 P-형인 것을 특징으로 하는 스파이스 모델링 방법.The spice modeling method of claim 1, wherein the field effect transistor is P-type. 제 4항에 있어서, 상기 전계 효과 트랜지스터의 스파이스 모델링 방법에 있어서The method of spice modeling of the field effect transistor according to claim 4 상기 제 1다이오드(DDS1)의 n극단자와 제 1단자(N21)가 접속되고, 상기 제 2다이오드(DDS2)의 n극단자와 제 2단자(N22)가 접속되고, 상기 제 1다이오드(DDS1)의 p극단자와 상기 제 2다이오드(DDS2)의 p극단자가 제 3단자(N23)에 백-투-백으로 접속되도록 모델링하는 전계 효과 트랜지스터(PMOS FET)의 스파이스 모델링 방법.The n-pole terminal and the first terminal N21 of the first diode DDS1 are connected, the n-pole terminal and the second terminal N22 of the second diode DDS2 are connected, and the first diode DDS1 is connected. A method of spice modeling of a field effect transistor (PMOS FET) is modeled such that the p-pole terminal of) and the p-pole terminal of the second diode (DDS2) are connected back-to-back to the third terminal (N23). 게이트 단자(gte), 소오스 단자(src) 및 드레인 단자(drn)를 포함하고 반도체 기판상에 형성되어 구성된 스파이스 내장 함수 모델로 사용되고, 소오스 및 드레인 영역 및 게이트 전극을 구비하고, 상기 반도체 기판의 상부에 형성된 채널 영역을 갖는 전계 효과 트랜지스터;It is used as a spice built-in function model that is formed on a semiconductor substrate and includes a gate terminal gte, a source terminal src, and a drain terminal drn, and has a source and drain region and a gate electrode, and an upper portion of the semiconductor substrate. A field effect transistor having a channel region formed in the; 상기 드레인 영역과 상기 드레인 단자(drn)간의 제 1단자(N11)와 상기 소오스 영역과 상기 소오스 단자(src)간의 제 2단자(N12) 사이에 접속되고 있고, 제 3단자(N13)에 백-투-백으로 접속되는 한 쌍의 PN-접합 제 1 및 제 2다이오드(DDS1, DDS2);It is connected between the first terminal N11 between the drain region and the drain terminal drn and the second terminal N12 between the source region and the source terminal src and is connected to the third terminal N13. A pair of PN-junction first and second diodes DDS1 and DDS2 connected two-back; 상기 제 1단자(N11)와 상기 드레인 단자(drn)간에 형성되어 있는 드레인 외부 저항(RDEX);A drain external resistor RDEX formed between the first terminal N11 and the drain terminal drn; 상기 제 2단자(N12)와 상기 소오스 단자(src)간에 형성되어 있는 소오스 외부 저항(RSEX); 및A source external resistor (RSEX) formed between the second terminal (N12) and the source terminal (src); And 상기 반도체 기판과 상기 채널 영역(N14) 사이에 형성되어 있는 외부 기판 저항(RBEX)으로 구성된 전계 효과 트랜지스터(MOS FET)의 스파이스 모델링 회로.A spice modeling circuit of a field effect transistor (MOS FET) composed of an external substrate resistor (RBEX) formed between the semiconductor substrate and the channel region (N14). 제 6항에 있어서, 상기 전계 효과 트랜지스터는 N형 또는 P형인 것을 특징으로 하는 전계 스파이스 모델링 회로.7. The field spice modeling circuit of claim 6, wherein the field effect transistor is N-type or P-type.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100552819B1 (en) * 2004-08-04 2006-02-21 동부아남반도체 주식회사 Spice simulation system for diode and method of simulation using the same
KR100887508B1 (en) * 2007-12-24 2009-03-10 주식회사 동부하이텍 Device and method for modeling a mosfet
KR100940413B1 (en) * 2007-12-26 2010-02-02 주식회사 동부하이텍 A method for predicting a drain current in MOS transistor

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