mosspice建模

SPICE的器件模型在介绍SPICE基础知识时介绍了最复杂和重要的电路描述语句，其中就包括元器件描述语句。

许多元器件（如二极管、晶体管等）的描述语句中都有模型关键字，而电阻、电容、电源等的描述语句中也有模型名可选项，这些都要求后面配以.MODEL起始的模型描述语句，对这些特殊器件的参数做详细描述。

电阻、电容、电源等的模型描述语句语句比较简单，也比较容易理解，在SPICE基础中已介绍，就不再重复了；二极管、双极型晶体管的模型虽也做了些介绍，但不够详细，是本文介绍的重点，以便可以自己制作器件模型；场效应管、数字器件的模型过于复杂，太专业，一般用户自己难以制作模型，只做简单介绍。

元器件的模型非常重要，是影响分析精度的重要因素之一。

但模型中涉及太多图表，特别是很多数学公式，都是在WORD下编辑后再转为JEPG图像文件的，很繁琐和耗时，所以只能介绍重点。

一、二极管模型：1.1 理想二极管的I-V特性：1.2 实际硅二极管的I-V特性曲线：折线1.3 DC大信号模型：1.4 电荷存储特性：1.5 大信号模型的电荷存储参数Qd：1.6 温度模型：1.7 二极管模型参数表：二、双极型晶体管BJT模型：2.1 Ebers-Moll静态模型：电流注入模式和传输模式两种2.1.1 电流注入模式：2.1.2 传输模式：2.1.3 在不同的工作区域，极电流Ic Ie的工作范围不同，电流方程也各不相同：2.1.4 Early效应：基区宽度调制效应2.1.5 带Rc、Re、Rb的传输静态模型：正向参数和反向参数是相对的，基极接法不变，而发射极和集电极互换所对应的两种状态，分别称为正向状态和反向状态，与此对应的参数就分别定义为正向参数和反向参数。

2.2 Ebers-Moll大信号模型：2.3 Gummel-Pool静态模型：2.4 Gummel-Pool大信号模型：拓扑结构与Ebers-Moll大信号模型相同，非线性存储元件电压控制电容的方程也相同2.5 BJT晶体管模型总参数表：三、金属氧化物半导体晶体管MOSFET模型：3.1 一级静态模型：Shichman-Hodges模型3.2 二级静态模型（大信号模型）：Meyer模型3.2.1 电荷存储效应：3.2.2 PN结电容：3.3 三级静态模型：3.2 MOSFET模型参数表：一级模型理论上复杂，有效参数少，用于精度不高场合，迅速粗略估计电路二级模型可使用复杂程度不同的模型，计算较多，常常不能收敛三级模型精度与二级模型相同，计算时间和重复次数少，某些参数计算比较复杂四级模型BSIM，适用于短沟道（<3um）的分析，Berkley在1987年提出四、结型场效应晶体管JFET模型：基于Shichman-Hodges模型4.1 N沟道JFET静态模型：4.2 JFET大信号模型：4.3 JFET模型参数表：五、GaAs MESFET模型：分两级模型（肖特基结作栅极）GaAs MESFET模型参数表：六、数字器件模型：6.1 标准门的模型语句：.MODEL <(model)name> UGATE [模型参数] 标准门的延迟参数：6.2 三态门的模型语句：.MODEL <(model)name> UTGATE [模型参数]三态门的延迟参数：6.3 边沿触发器的模型语句：.MODEL <(model)name> UEFF [模型参数]边沿触发器参数：JKFF nff preb,clrb,clkb,j*,k*,g*,gb* JK触发器，后沿触发DFF nff preb,clrb,clk,d*,g*,gb* D触发器，前沿触发边沿触发器时间参数：6.4 钟控触发器的模型语句：.MODEL <(model)name> UGFF [模型参数]钟控触发器参数：SRFF nff preb,clrb,gate,s*,r*,q*,qb* SR触发器，时钟高电平触发DLTCH nff preb,clrb,gate,d*,g*,gb* D触发器，时钟高电平触发钟控触发器时间参数：6.5 可编程逻辑阵列器件的语句：U <name> <pld type> (<#inputs>,<#outputs>) <input_node>* <output_node># +<(timing model)name> <(io_model)name> [FILE=<(file name) text value>]+[DATA=<radix flag>$ <program data>$][MNTYMXDLY=<(delay select)value>] +[IOLEVEL=<(interface model level)value>]其中：<pld type>列表<(file name) text value> JEDEC格式文件的名称，含有阵列特定的编程数据JEDEC文件指定时，DATA语句数据可忽略<radix flag> 是下列字母之一：B 二进制 O 八进制 X 十六进制<program data> 程序数据是一个数据序列，初始都为0PLD时间模型参数：七、数字I/O接口子电路：数字电路与模拟电路连接的界面节点，SPICE自动插入此子电路子电路名（AtoDn和DtoAn）在I/O模型中定义，实现逻辑状态与电压、阻抗之间的转换。

mos管等效电路模型MOS管等效电路模型MOS管是一种常用的半导体器件，广泛应用于各种电子设备中。

在电路设计中，为了方便分析和计算，常常使用等效电路模型来代替实际的MOS管。

一、MOS管的基本结构MOS管是由P型或N型半导体基片上的氧化物层和金属栅极组成的。

根据金属栅极与半导体基片之间是否存在PN结，可以将MOS管分为两种类型：N沟道MOS（NMOS）和P沟道MOS（PMOS）。

二、MOS管的工作原理当金属栅极施加正电压时，在氧化物层下形成一个正电荷区，使得N沟道或P沟道中形成一个反型区域。

在反型区域内，载流子密度较高，可以形成通道。

当通道中有一定的载流子密度时，施加源极和漏极之间的电压就会使得载流子在通道内移动而产生电流。

三、MOS管等效电路模型为了方便分析和计算，常常使用等效电路模型来代替实际的MOS管。

目前比较常用的有三种模型：SPICE模型、Eber-Moll模型和MOSFET模型。

1. SPICE模型SPICE模型是一种比较通用的MOS管等效电路模型，可以用于各种类型的MOS管。

该模型将MOS管分为三个区域：源极区、漏极区和通道区。

其中，通道区的电阻和电容是由一些参数来描述的，如长度、宽度、阈值电压等。

2. Eber-Moll模型Eber-Moll模型是一种简单的MOS管等效电路模型，只考虑了MOS 管在饱和状态下的行为。

该模型将MOS管看作一个开关，当栅极施加正电压时，开关闭合；当栅极施加负电压时，开关断开。

3. MOSFET模型MOSFET模型是一种比较复杂的MOS管等效电路模型，可以更准确地描述MOS管的行为。

该模型将MOS管分为四个区域：源极区、漏极区、沟道区和反型区。

其中沟道区和反型区之间存在一个PN结，在不同的工作状态下会有不同的导通特性。

四、总结通过以上介绍可以看出，MOS管等效电路模型在电路设计中起着非常重要的作用。

不同类型的MOS管可以使用不同的等效电路模型来描述其行为，以便更好地分析和计算。

实验三-MOS管参数仿真及Spice学习一、实验介绍本次实验的主要内容是对MOS管参数进行仿真，并通过Spice软件进行电路模拟，掌握MOS管参数和Spice软件的使用方法。

本实验主要包括以下内容：1.MOS管参数的基本概念和理论知识2.PSpice软件的使用方法3.MOS管参数的仿真实验二、MOS管参数的基本概念和理论知识MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）是一种常用的半导体器件，广泛应用于数字电路、模拟电路和功率电子器件等领域。

MOS管中最常用的参数有场效应迁移率，漏极电阻，漏极导纳，截止电压等。

下面分别介绍这些参数的定义和作用。

1.1 场效应迁移率场效应迁移率是描述MOS管输出特性的重要参数，通常用符号μ表示，单位为cm2/Vs，是指电子在沟道中移动的速度与电场强度之比。

MOS管的场效应迁移率与沟道电阻、沟道长度、衬底材料等因素有关，一般情况下，迁移率越高，MOS管的性能越好，但也需要考虑其他因素的影响。

1.2 漏极电阻漏极电阻是指当MOS管工作在 saturation 区时，漏极电压变化时引起的漏极电流变化的比值，通常用符号rds表示，单位为欧姆。

MOS管的漏极电阻直接影响其输出电压的变化范围，漏极电阻越大，输出信号的电压变化范围就越小，反之亦然。

1.3 漏极导纳漏极导纳是指MOS管漏极电阻的导纳值，通常用符号Gds表示，单位为S （西门子）。

MOS管的漏极导纳与漏极电阻成反比，漏极电阻越小，漏极导纳越大，输出信号的电压变化范围也就越大。

1.4 截止电压截止电压是指当MOS管工作在截止区时，栅源电压达到的最大值，超过这个值后MOS管就会进入饱和状态，通常用符号VGS(off)表示，单位为伏特。

MOS管的截止电压与其工作状态有关，在设计电路时需要合理选择MOS管的截止电压，以确保电路的正常工作。

以上是MOS管常用的几个参数，这些参数的选择和设计对电路的性能和稳定性都有很大的影响，需要仔细考虑。

SPICE的器件模型在介绍SPICE基础知识时介绍了最复杂和重要的电路描述语句，其中就包括元器件描述语句。

许多元器件（如二极管、晶体管等）的描述语句中都有模型关键字，而电阻、电容、电源等的描述语句中也有模型名可选项，这些都要求后面配以.MODEL起始的模型描述语句，对这些特殊器件的参数做详细描述。

电阻、电容、电源等的模型描述语句语句比较简单，也比较容易理解，在SPICE基础中已介绍，就不再重复了；二极管、双极型晶体管的模型虽也做了些介绍，但不够详细，是本文介绍的重点，以便可以自己制作器件模型；场效应管、数字器件的模型过于复杂，太专业，一般用户自己难以制作模型，只做简单介绍。

元器件的模型非常重要，是影响分析精度的重要因素之一。

但模型中涉及太多图表，特别是很多数学公式，都是在WORD下编辑后再转为JEPG图像文件的，很繁琐和耗时，所以只能介绍重点。

一、二极管模型：1.1 理想二极管的I-V特性：1.2 实际硅二极管的I-V特性曲线：折线1.3 DC大信号模型：1.4 电荷存储特性：1.5 大信号模型的电荷存储参数Qd：1.6 温度模型：1.7 二极管模型参数表：二、双极型晶体管BJT模型：2.1 Ebers-Moll静态模型：电流注入模式和传输模式两种2.1.1 电流注入模式：2.1.2 传输模式：2.1.3 在不同的工作区域，极电流Ic Ie的工作范围不同，电流方程也各不相同：2.1.4 Early效应：基区宽度调制效应2.1.5 带Rc、Re、Rb的传输静态模型：正向参数和反向参数是相对的，基极接法不变，而发射极和集电极互换所对应的两种状态，分别称为正向状态和反向状态，与此对应的参数就分别定义为正向参数和反向参数。

2.2 Ebers-Moll大信号模型：2.3 Gummel-Pool静态模型：2.4 Gummel-Pool大信号模型：拓扑结构与Ebers-Moll大信号模型相同，非线性存储元件电压控制电容的方程也相同2.5 BJT晶体管模型总参数表：三、金属氧化物半导体晶体管MOSFET模型：3.1 一级静态模型：Shichman-Hodges模型3.2 二级静态模型（大信号模型）：Meyer模型3.2.1 电荷存储效应：3.2.2 PN结电容：3.3 三级静态模型：3.2 MOSFET模型参数表：一级模型理论上复杂，有效参数少，用于精度不高场合，迅速粗略估计电路二级模型可使用复杂程度不同的模型，计算较多，常常不能收敛三级模型精度与二级模型相同，计算时间和重复次数少，某些参数计算比较复杂四级模型BSIM，适用于短沟道（<3um）的分析，Berkley在1987年提出四、结型场效应晶体管JFET模型：基于Shichman-Hodges模型4.1 N沟道JFET静态模型：4.2 JFET大信号模型：4.3 JFET模型参数表：五、GaAs MESFET模型：分两级模型（肖特基结作栅极）GaAs MESFET模型参数表：六、数字器件模型：6.1 标准门的模型语句：.MODEL <(model)name> UGATE [模型参数] 标准门的延迟参数：6.2 三态门的模型语句：.MODEL <(model)name> UTGATE [模型参数]三态门的延迟参数：6.3 边沿触发器的模型语句：.MODEL <(model)name> UEFF [模型参数]边沿触发器参数：JKFF nff preb,clrb,clkb,j*,k*,g*,gb* JK触发器，后沿触发DFF nff preb,clrb,clk,d*,g*,gb* D触发器，前沿触发边沿触发器时间参数：6.4 钟控触发器的模型语句：.MODEL <(model)name> UGFF [模型参数]钟控触发器参数：SRFF nff preb,clrb,gate,s*,r*,q*,qb* SR触发器，时钟高电平触发DLTCH nff preb,clrb,gate,d*,g*,gb* D触发器，时钟高电平触发钟控触发器时间参数：6.5 可编程逻辑阵列器件的语句：U <name> <pld type> (<#inputs>,<#outputs>) <input_node>* <output_node># +<(timing model)name> <(io_model)name> [FILE=<(file name) text value>]+[DATA=<radix flag>$ <program data>$][MNTYMXDLY=<(delay select)value>] +[IOLEVEL=<(interface model level)value>]其中：<pld type>列表<(file name) text value> JEDEC格式文件的名称，含有阵列特定的编程数据JEDEC文件指定时，DATA语句数据可忽略<radix flag> 是下列字母之一：B 二进制 O 八进制 X 十六进制<program data> 程序数据是一个数据序列，初始都为0PLD时间模型参数：七、数字I/O接口子电路：数字电路与模拟电路连接的界面节点，SPICE自动插入此子电路子电路名（AtoDn和DtoAn）在I/O模型中定义，实现逻辑状态与电压、阻抗之间的转换。

77K温度下MOS器件的SPICE模型实现中期报告
本文介绍了在77K温度下MOS器件SPICE模型实现的进展情况。

SPICE模型是一种在电路仿真软件中广泛使用的模拟模型，用于模拟各种电子元件的性能和行为。

在MOS器件的SPICE模型实现中，需要考虑器件的物理结构和电学特性。

在77K温度下，MOS器件的性能和行为会发生一些变化，因此需要对SPICE模型进行适当的调整和修正。

目前，我们已经开展了一些实验工作，收集了MOS器件在77K温度下的性能数据，并且对这些数据进行了分析和处理。

我们还在建立基于这些数据的SPICE模型，并对模型进行优化和验证。

具体来说，我们已经完成了以下工作：
1. 实验测试：使用特定的测试工具和方法，测试了MOS器件在77K 温度下的性能，包括电流-电压关系、输入输出特性、输出阻抗等。

2. 数据分析：对实验数据进行了分析和处理，研究了MOS器件在低温下的特性和行为。

3. SPICE模型建立：以测试得到的数据为基础，建立了MOS器件在77K温度下的SPICE模型，包括电流源、电容器、电阻器等元件。

4. 优化验证：对SPICE模型进行了优化和验证，确保模型能够准确地模拟MOS器件在77K温度下的性能和行为，提高模拟精度和可靠性。

总体来说，我们已经取得了一定的进展，并且对MOS器件在77K温度下的SPICE模型实现有了更深入的认识。

下一步，我们将继续完善SPICE模型，并进一步优化和验证，以增强其可靠性和应用性。

LDMOS热载流子效应的SPICE模型的研究与实现的开题报告一、研究背景和意义LDMOS（Laterally Diffused Metal-Oxide-Semiconductor）是一种重要的功率器件，具有高电性能、高集成度和逻辑晶体管兼容等特点，被广泛应用于高频功率放大器、直流/直流变换器、DC-DC转换器和电源管理等领域。

然而，在高功率、高集成度和高频率应用中，LDMOS的热载流子效应变得明显，大大影响了器件的性能稳定性和可靠性。

因此，研究LDMOS热载流子效应的模型和特性，对于实现现代电路的高性能和高可靠性具有重要意义。

SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）是一种常用的电路仿真工具，可以有效地分析和设计复杂的电路系统。

在LDMOS器件的研究中，SPICE模型被广泛应用于电路仿真和性能分析。

因此，本研究将从LDMOS热载流子效应的物理机制出发，研究LDMOS 热载流子效应的SPICE模型的建立和实现，为LDMOS器件的可靠性设计和性能优化提供参考。

二、研究内容和方法（一）热载流子效应的物理机制研究通过文献综述和仿真模拟等方法，研究LDMOS热载流子效应的物理机制和影响因素。

主要包括载流子的漂移扩散、温度效应和应力效应等方面。

（二）SPICE模型的建立和参数提取基于热载流子效应的物理机制，建立LDMOS热载流子效应的SPICE 模型，并采用电性能测试和仿真模拟等方法提取模型参数。

同时，将SPICE模型与实际器件测试数据进行比较和分析，验证模型的准确性和可靠性。

（三）电路仿真和性能分析基于建立的SPICE模型，进行LDMOS器件电路仿真和性能分析。

主要包括电流-电压（I-V）特性、热载流子效应的温度响应、可靠性分析和优化等方面。

三、研究进度计划阶段一：文献调研和热载流子效应的物理机制研究（2个月）阶段二：SPICE模型的建立和参数提取（3个月）阶段三：电路仿真和性能分析（4个月）阶段四：论文撰写和答辩（3个月）四、预期成果（一）提出一种基于物理机制的LDMOS热载流子效应的SPICE模型，通过实验验证和仿真分析可以得出具有较高准确性和可靠性的模型参数。

2002.5半导体器件4.61第四章MOSFET4.6 MOSFET 模型2002.5半导体器件4.624.6 MOSFET 模型本节内容MOSFET 模型简介MOS1和MOS2模型及模型参数介绍 电容模型（介绍Meyer 电容模型）模型参数提取2002.5半导体器件4.634.6.1 MOSFET 模型简介MOSFET 模型发展至今，已有五十多个模型。

下面简单介绍几个有代表性的模型：Level 1 ——MOS1模型（Shichman-Hodges 模型），该模型是Berkley SPICE 最早的MOST 模型，适用于精度要求不高的长沟道MOST 。

电容模型为Meyer 模型，不考虑电荷贮存效应Level 2 ——MOS2模型，该模型考虑了部分短沟道效应，电容模型为Meyer 模型或Ward-Dutton 模型。

Ward-Dutton 模型考虑了电荷贮存效应。

2002.5半导体器件4.644.6.1 MOSFET 模型简介Level 3 ——MOS3模型，为半经验模型，广泛用于数字电路设计中，适用于短沟道器件，对于沟道长度≥2µm 的器件所得模拟结果很精确。

BSIM 模型——B erkeley S hort-Channel I GFET M odel 。

BSIM 模型是专门为短沟道MOST 而开发的模型。

目前已经发展到BSIM4模型。

Level 4 ——BSIM1模型，适合于L ≈1µm ，t ox ≈15nm 的MOSFET 。

4.6.1 MOSFET 模型简介BSIM1模型考虑了小尺寸MOST 的二阶效应包括 垂直电场对载流子迁移率的影响； 速度饱和效应；DIBL （漏场感应势垒下降）效应； 电荷共享；离子注入器件的杂质非均匀分布； 沟道长度调制效应； 亚阈值导电；参数随几何尺寸的变化基本公式是萨方程的修正4.6.1 MOSFET 模型简介HSPICE Level 28 ——改进的BSIM1模型，适用于模拟电路设计，目前仍有广泛应用。

2.1 CMOS模拟集成电路基本单元2.1.1 MOS场效应管的基本结构绝缘栅场效应管又叫作MOS场效应管，意为金属-氧化物-半导体场效应管。

图2.1为MOS场效应管的结构和电路符号。

图中的N型硅衬底是杂质浓度低的N型硅薄片。

在它上面再制作两个相距很近的P区，分别引为漏极和源极，而由金属铝构成的栅极则是通过二氧化硅绝缘层与N型衬底及P型区隔离。

这也是绝缘栅MOS场效应管名称的由来。

因为栅极与其它电极隔离，所以栅极是利用感应电荷的多少来改变导电沟道去控制漏源电流的。

MOS场效应管的导电沟道由半导体表面场效应形成。

栅极加有负电压，而N型衬底加有正电压。

由于铝栅极和N型衬底间电场的作用，使绝缘层下面的N型衬底表面的电子被排斥，而带正电的空穴被吸引到表面上来。

于是在N型衬底的表面薄层形成空穴型号的P型层，称为反型层，它把漏源两极的P区连接起来，构成漏源间的导电沟道。

沟道的宽窄由电场强弱控制。

MOS场效应管的栅极与源极绝缘，基本不存在栅极电流，输入电阻非常高。

[20,21]图2.1MOS场效应管的结构和电路符号Fig.2.1 Structure and circuit symbol that MOS Field-Effect Transistor 场效应管有P型和N型之分。

这里的P型或N型，指的是导电沟道是P型还是N 型，即导电沟道中是空穴导电还是电子导电。

因为场效应管中只有一种载流子参加导电，所以又常称为“单极型晶体管”。

P型沟道和N型沟道的MOS场效应管又各分为“耗尽型”和“增强型”两种。

耗尽型指栅极电压为零时，就存在导电沟道，漏源中间有一定电流。

增强型MOS场效应管，则只有在栅极电压大于零的情况下，才存在导电沟道。

2.1.2 MOS场效应管的模型化MOS管的大信号（直流）特性可以用它的电流方程来描述。

以N沟道增强型MOS管为例，特性曲线和电流方程如图2.2所示。

图2.2 特性曲线和电流方程Fig.2.2 Characteristic property curve and electric current equation如果栅源偏置电压GS V 大于MOS 管的阈值电压T V ，则在P 型衬底的表面由于静电感应会产生大量的电子，形成导电沟道。

纳米CMOS 器件模型与SPICE 仿真刘谨 2010E8015967004 微电子研究所研究意义：通常我们把0.35-0.8μm 及其以下称为亚微米级，0.25um 及其以下称为深亚微米，0.05um 及其以下称为纳米级。

当前CMOS 器件主流工艺尺寸已经达到32nm ，已经进入到了深亚微米乃至纳米量级。

在这个尺度上，传统器件已经趋近极限，需要给出新的器件结构和器件材料才能进一步发展。

研究目的：本项目主要考虑由器件沟道长度减小带来的短沟道效应，以及分析当前主要的深亚微米器件、纳米器件结构，给出用Hspice 仿真的模型，对仿真模型的电流电压和电容等参数进行分析，同时介绍当前该领域的研究进展和研究趋势。

研究的初步内容：一．原理和效应当器件的尺寸逐步缩小时，可以用到等比例缩小的基本思想:在MOS 器件内部电场不变的情况下,通过等比例缩小器件的纵向和横向尺寸,以增加跨导和减小电容,由此提高集成电路的性能。

理想的按比例缩小理论遵循三条规律：(1)器件的所有横向和纵向尺寸都缩小K 倍(K>1)；(2)阈值电压和电源电压缩小K 倍；(3)所有的掺杂浓度增加K 倍。

具体的分析如下：(1)漏源电流ID 按比例缩小K 倍；MOSFET 的漏源电流方程为其中单位面积栅氧化层电容为由于V DS 、(V GS -V T )、W(沟道宽度) 、L(沟道长度) 、 t ox (栅氧化层厚度)均缩小了K 倍，C OX 增大K 倍，因此I D 缩小了K 倍。

(2)门延迟时间按比例缩小K 倍,即由于V DS 、I D 、C L 均缩小了K 倍，所以t d 也缩小K 倍(3)由2中的计算，可得集成电路性能的功耗延迟积Pw*t d 缩小了K 3倍；(4)因为W,L 的缩小使得晶体管的面积缩小了K 2倍，因此相同面积上的晶体管集成密度提高了k 2倍。

按比例缩小不足之处：(1)阈值电压不可能无限制缩小，因为阈值电压降低会引起电路抗干扰能力减弱，泄漏电流])[(2DS DS T GS eff OX D V V V V L W C I αμ--=OX OX OX tC εε0=OXF i A Si C E E qN 4)]/([5.02/10-+=εεαOX L WLC C =DL DS d I C V t ∝增加，不利于动态节点电平的保持，而且会引起静态功耗的增加。