Mosfet的等效網絡及仿真方法
【專利摘要】本發明公開了一種MOSFET的等效網絡及仿真方法，高壓MOS或者LDMOS等高壓器件由于工作在高壓大電流的運行狀態下，器件自身發熱比較明顯，傳統的SPICE?BSIM3、BSIM4等仿真模型并不包含器件的熱效應仿真，本發明基于傳統的BSIM模型，增加電壓控制電壓源、電流控制電流源及外接電阻組成網絡來精確仿真器件的自發熱效應，提高了仿真的精確度，縮短器件設計周期。
【專利說明】MOSFET的等效網絡及仿真方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體器件的制造領域，特別是指一種MOSFET的等效網絡，本發明還涉及所述MOSFET的仿真方法。
【背景技術】
[0002]隨著集成電路中功率器件如功率整流器、功率放大器等的發展，高壓M0S、高壓LDMOS(LateralIy Diffused Metal Oxide Semiconductor 橫向雙擴散金屬氧化物半導體)等也被廣泛應用于這些高壓集成電路中。模型需要準確模擬器件漏極電流隨柵源電壓從小到大的變化。如圖1所示，當器件工作于柵源電壓、柵漏電壓都比較大的工作條件時，器件處于高壓大電流情況，此時器件功耗p=ids*vds較大，圖中五條曲線，對應的Ves逐漸由IV升至5V的情況，器件溫度升高，漏極電流IDS減小，此現象即為器件自發熱效應。目前標準SPICE (Simulation Program With Integrated Circuit Emphasis 集成電路增強模擬程序)的 BSIM (Berkeley Short channel Insulated gate field effecttransistor Model伯克利短溝道絕緣柵場效應晶體管模型)模型并不包含此器件效應，不能準確模擬器件自發熱效應，從而降低電流仿真精度。因此包含器件自發熱效應的精確模型是電路仿真的關鍵。
【發明內容】
[0003]本發明所要解決的技術問題在于提供一種MOSFET的等效網絡，并通過此等效網絡來精確仿真MOSFET的自發熱效應。
[0004]為解決上述問題，本發明所述的MOSFET的等效網絡，包含一 M0SFET，電流控制電流源FJFET，第一及第二電壓源，第一及第二電壓控制電壓源，第一、第二、第三及第四電阻，其中:
[0005]MOSFET的漏極連接第三電阻的第一端，第三電阻的另一端引出所述等效網絡的漏極；MOSFET的源極連接第四電阻的第一端，第四電阻的另一端引出所述等效網絡的源極；MOSFET的柵極及襯底電極直接引出；
[0006]電流控制電流源的兩端分別接在MOSFET的源極和漏極；
[0007]第一電壓控制電壓源由MOSFET的源漏電壓控制，且第一電壓控制電壓源作用于第一電阻并產生電流流經第一電壓源；
[0008]第二電壓控制電壓源由第三電阻兩端的電壓控制，且第二電壓控制電壓源作用于第二電阻并產生電流流經第二電壓源。
[0009]進一步地，所述的MOSFET由SPICE程序提供，是一源漏對稱，或者不對稱的MOSFET。
[0010]進一步地，所述第三電阻模擬MOSFET的漏極電阻，第四電阻模擬MOSFET的源極電阻；第一電壓控制電壓源由MOSFET的源漏電壓控制，且第一電壓控制電壓源控制第一電阻使第一電壓源產生相應電流；第二電壓控制電壓源由第三電阻兩端的電壓控制，且第二電壓控制電壓源控制第二電阻使第二電壓源產生相應的電流；第一電壓源及第二電壓源產生的電流反饋到電流控制電流源，以模擬MOSFET的自發熱效應。
[0011]一種MOSFET的仿真方法，包含如下兩個步驟:
[0012]步驟一，構建MOSFET的等效網絡；
[0013]步驟二，利用構建的等效網絡進行MOSFET的仿真。
[0014]進一步地，所述步驟一中，MOSFET的等效網絡包含有一基礎M0SFET，一電流控制電流源，第一、第二、第三、第四電阻，第一及第二電壓控制電壓源，第一及第二電壓源，其中:
[0015]MOSFET的漏極連接第三電阻的第一端，第三電阻的另一端引出所述等效網絡的漏極；MOSFET的源極連接第四電阻的第一端，第四電阻的另一端引出所述等效網絡的源極；MOSFET的柵極及襯底電極直接引出；
[0016]電流控制電流源的兩端分別接在MOSFET的源極和漏極；
[0017]第一電壓控制電壓源由MOSFET的源漏電壓控制，且第一電壓控制電壓源作用于第一電阻并產生電流流經第一電壓源；
[0018]第二電壓控制電壓源由第三電阻兩端的電壓控制，且第二電壓控制電壓源作用于第二電阻并產生電流流經第二電壓源。
[0019]進一步地，所述的基礎MOSFET由SPICE程序提供，是一源漏對稱，或者源漏不對稱的 MOSFET。
[0020]進一步地，所述的MOSFET的等效網絡，第三電阻模擬MOSFET的漏極電阻，第四電阻模擬MOSFET的源極電阻，且需考慮第三及第四電阻的電壓系數及溫度系數；第一電壓控制電壓源由MOSFET的源漏電壓控制，且第一電壓控制電壓源控制第一電阻使第一電壓源產生相應電流；第二電壓控制電壓源由第三電阻兩端的電壓控制，且第二電壓控制電壓源控制第二電阻使第二電壓源產生相應的電流；第一電壓源及第二電壓源產生的電流反饋到電流控制電流源，以模擬MOSFET的自發熱效應。
[0021 ] 進一步地，所述電流控制電流源受第一及第二電壓源的對應電流控制。
[0022]進一步地，通過第一及第二電壓控制電壓源的溫度依存性來模擬器件自發熱效應和溫度依存性。
[0023]本發明所述的MOSFET的等效網絡及仿真方法，通過外接第三及第四電阻來模擬MOSFET的源漏電阻，且考慮外接電阻的電壓及溫度系數，通過第一電壓控制電壓源、第一電阻及第一電壓源來采樣及反饋MOSFET的源漏電流，第二電壓控制電壓源、第二電阻及第二電壓源來采樣及反饋漏極電阻(即第三電阻)的電流，反饋的源漏電流及漏極電阻的電流共同控制電流控制電流源，以精確仿MOSFET的自發熱效應，提高器件應用與高壓大電流區域的仿真精度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1是包含自發熱效應的MOSFET的輸出特性曲線；
[0025]圖2是本發明包含自發熱效應的MOSFET等效網絡。
[0026]附圖標記說明
[0027]FJFET是電流控制電流源，RXl是第一電阻，RX2是第二電阻，Rd是第三電阻，Rs是第四電阻，EXl是第一電壓控制電壓源，EX2是第二電壓控制電壓源，VSENSE1是第一電壓源，VSENSE2是第二電壓源。
【具體實施方式】
[0028]本發明所述的MOSFET的等效網絡，結合附圖2說明如下:
[0029]所述MOSFET的等效網絡包含一 M0SFET，電流控制電流源FJFET，第一電壓源VSENSEI及第二電壓源VSENSE2，第一電壓控制電壓源EXl及第二電壓控制電壓源EX2，第一電阻RXl、第二電阻RX2、第三及第四電阻，其中:
[0030]如圖2所示，MOSFET的漏極連接第三電阻的第一端，第三電阻用于模擬MOSFET的漏極電阻Rd，第三電阻的另一端引出所述等效網絡的漏極；M0SFET的源極連接第四電阻的第一端，第四電阻用于模擬MOSFET的源極電阻Rs，第四電阻Rs的另一端引出所述等效網絡的源極；M0SFET的柵極及襯底電極直接引出；
[0031 ] 電流控制電流源FJFET的兩端分別接在MOSFET的源極和漏極；
[0032]第一電壓控制電壓源EXl由MOSFET的源漏電壓控制，且第一電壓控制電壓源作用于第一電阻并產生電流流經第一電壓源VSENSE1 ；
[0033]第二電壓控制電壓源EX2由第三電阻兩端的電壓控制，且第二電壓控制電壓源作用于第二電阻并產生電流流經第二電壓源VSENSE2。
[0034]通過上述的等效網絡，即可進行MOSFET的仿真。網絡中的MOSFET是由SPICE程序提供，為源漏對稱，或者不對稱的基礎M0SFET，第三電阻模擬MOSFET的漏極電阻Rd，第四電阻模擬MOSFET的源極電阻Rs，且需考慮第三及第四電阻的電壓系數(VV1，VV2)及溫度系數(tclX，tc2X);當器件是非對稱結構時，外接源漏電阻RD，RS能更好地反映器件非對稱特性。
[0035]第一電壓控制電壓源EXl由MOSFET的源漏電壓控制，即圖2中EXl=f (V (nl, n2))，且第一電壓控制電壓源EXl控制第一電阻RXl使第一電壓源VSENSE1產生相應電流；第二電壓控制電壓源EX2由第三電阻Rd兩端的電壓控制，即EX2=f(V(d，nl))，且第二電壓控制電壓源EX2控制第二電阻RX2使第二電壓源VSENSE2產生相應的電流；第一電壓源VSENSE1及第二電壓源VSENSE2產生的電流一起反饋到電流控制電流源FJFET，即FJFET=f (I (VSENSE1)，I (VSENSE2))，電流控制電流源用于模擬MOSFET的自發熱效應。
[0036]電壓控制電壓源EXl由電壓V(nl，n2)控制，電壓V(nl，n2)作用于I歐姆電阻RXl，在電壓源VSENSE1上產生數值等于(nl，n2)之間的電流，即所示MOSFET的源漏電流。電壓控制電壓源EX2由漏極電阻上的壓降V(d，nl)控制，電壓V(d，nl)作用于I歐姆電阻RX2，在電壓源VSENSE2上產生數值等于(d，nl)之間的電流，即流過漏極電阻Rd的電流。
[0037]當柵源電壓VGS較小時，ID(Hicore)較小，假設FJFET電流也較小，因此I (Rd)也小，V(d，nl)、V(nl，n2)很小，FJFET電流很小，驗證了前面的假設。此時FJFET對器件特性沒有影響，模型類似于常規BSIM模型，符合器件物理特性，當器件漏電流較小時，器件發熱較少，器件沒有自發熱效應。
[0038]當柵源電壓VGS較大時，ID (mcore)較大，假設FJFET電流也較大，因此I (Rd)也大，V(d，nl)、V(nl，n2)增大，FJFET 電流增大。由于 I (Rd) =ID (mcore)-1 (FJFET)，因此大的FJFET電流降低I(Rd),滿足自發熱效應。模型參數提取時要通過合理設置系數pll?pll2，p21?p212以精確模擬自發熱效應。
[0039]其中，系數pell、pel2分別對應電壓控制電壓源EXl的一階溫度系數和二階溫度系數，pe2U pe22分別對應電壓控制電壓源EX2的一階溫度系數和二階溫度系數。通過四個溫度系數的提取以模擬器件自發熱效應的溫度依存性。
[0040]本發明所述的MOSFET具體模型文件如下所述:
[0041].subckt modelname d g s b w=le_61=le_6 dtepm=0
[0042].param
[0043]+vvl=l.02 vv2=0 tclx=0 tc2x=0 rd=0 rs=0
[0044]+pi1=0 pl2=0 pl3=0 pl4=0 pl5=0 pl6=0 pl7=0 pl8=0 pl9=0
[0045]+pi 10=0 pi 11=0 pi 12=0
[0046]+p21=0 p22=0 p23=0 p24=0 p25=0 p26=0 p27=0 p28=0 p29=0
[0047]+p210=0 p211=0 p212=0
[0048]+pel1=0 pel2=0 pe21=0 pe22=0
[0049]rd d nl，rd* (l+vvl*abs (v (sl，s))+vv2*v (sl，s) *v (sl，s))/w’
[0050]+tcl=tclx tc2=tc2x
[0051]rs n2 s，rs* (l+vvl*abs (v (sl，s))+vv2*v (sl，s) *v (sl，s))/w’
[0052]+tcl=tclx tc2=tc2x
[0053]mcore nl g n2 b nmos w=w 1=1
[0054]fjfet n2 nl cccs poly(2)vsensel vsense2
[0055]+scale=’ l+pel*dtemp+pe2*dtemp*dtemp’ 00001
[0056]exl n3 n2 poly (I) nl n2 scale=’l+pell*dtemp+pel2*dtemp*dtemp’
[0057]+0，pll，，pl2，，pl3，，pl4，，pl5，+，pl6，，pl7，，pl8，，pl9，，pllO，，pill，，pll2’
[0058]ex2 n5 n2 poly (I)d nl scale=’l+pe21*dtemp+pe22*dtemp*dtemp’
[0059]+0，p21，’ p22，’ p23，’ p24，’ p25，
[0060]+，p26，’ p27，’ p28，’ p29，’ p210，’ p211’ ’ p212’
[0061].ends mode lname
[0062]以上僅為本發明的優選實施例，并不用于限定本發明。對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種MOSFET的等效網絡，其特征在于:所述MOSFET仿真模型的等效網絡包含一M0SFET，電流控制電流源，第一及第二電壓源，第一及第二電壓控制電壓源，第一、第二、第三及第四電阻，其中: MOSFET的漏極連接第三電阻的第一端，第三電阻的另一端引出所述等效網絡的漏極；M0SFET的源極連接第四電阻的第一端，第四電阻的另一端引出所述等效網絡的源極；MOSFET的柵極及襯底電極直接引出； 電流控制電流源的兩端分別接在MOSFET的源極和漏極； 第一電壓控制電壓源由MOSFET的源漏電壓控制，且第一電壓控制電壓源作用于第一電阻并產生電流流經第一電壓源； 第二電壓控制電壓源由第三電阻兩端的電壓控制，且第二電壓控制電壓源作用于第二電阻并產生電流流經第二電壓源。
2.如權利要求1所述的MOSFET的等效網絡，其特征在于:所述的MOSFET由SPICE程序提供，是一源漏對稱，或者不對稱的MOSFET。
3.如權利要求1所述的MOSFET的等效網絡，其特征在于:所述第三電阻模擬MOSFET的漏極電阻，第四電阻模擬MOSFET的源極電阻；第一電壓控制電壓源由MOSFET的源漏電壓控制，且第一電壓控制電壓源控制第一電阻使第一電壓源產生相應電流；第二電壓控制電壓源由第三電阻兩端的電壓控制，且第二電壓控制電壓源控制第二電阻使第二電壓源產生相應的電流；第一電壓源及第二電壓源產生的電流反饋到電流控制電流源，以模擬MOSFET的自發熱效應。
4.一種MOSFET的仿真方法，其特征在于:包含如下兩個步驟: 步驟一，構建MOSFET的等效網絡； 步驟二，利用構建的等效網絡進行MOSFET的仿真。
5.如權利要求4所述的MOSFET的仿真方法，其特征在于:所述步驟一中，MOSFET的等效網絡包含有一基礎M0SFET，一電流控制電流源，第一、第二、第三、第四電阻，第一及第二電壓控制電壓源，第一及第二電壓源，其中: MOSFET的漏極連接第三電阻的第一端，第三電阻的另一端引出所述等效網絡的漏極；M0SFET的源極連接第四電阻的第一端，第四電阻的另一端引出所述等效網絡的源極；MOSFET的柵極及襯底電極直接引出； 電流控制電流源的兩端分別接在MOSFET的源極和漏極； 第一電壓控制電壓源由MOSFET的源漏電壓控制，且第一電壓控制電壓源作用于第一電阻并產生與第一電壓控制電壓源等數值電流，此電流流經第一電壓源； 第二電壓控制電壓源由第三電阻兩端的電壓控制，且第二電壓控制電壓源作用于第二電阻并產生與第二電壓控制電壓源等數值電流，此電流流經第二電壓源。
6.如權利要求5所述的MOSFET的仿真方法，其特征在于:所述的基礎MOSFET由SPICE程序提供，是一源漏對稱，或者源漏不對稱的M0SFET。
7.如權利要求4和5所述的MOSFET的仿真方法，其特征在于:所述的MOSFET的等效網絡，外接的第三電阻用于模擬MOSFET的漏極電阻，第四電阻用于模擬MOSFET的源極電阻，且需考慮外接的第三及第四電阻的電壓系數及溫度系數；第一電壓控制電壓源由MOSFET的源漏電壓控制，且第一電壓控制電壓源控制第一電阻使第一電壓源產生相應電流；第二電壓控制電壓源由第三電阻兩端的電壓控制，且第二電壓控制電壓源控制第二電阻使第二電壓源產生相應的電流；第一電壓源及第二電壓源產生的電流反饋到電流控制電流源，以模擬MOSFET的自發熱效應。
8.如權利要求5所述的MOSFET的仿真方法，其特征在于:所述電流控制電流源受第一及第二電壓源的對應電流控制。
9.如權利要 求5所述的MOSFET的仿真方法，其特征在于:通過第一及第二電壓控制電壓源的溫度依存性來模擬器件自發熱效應和溫度依存性。
【文檔編號】G06F17/50GK103838896SQ201210488418
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年11月26日 優先權日:2012年11月26日
【發明者】武潔 申請人:上海華虹宏力半導體制造有限公司