simulaÇÃo de circuitos modelos de simulações - spice e bsim leandro manera e jacobus w. swart
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SIMULAÇÃO DE CIRCUITOS
Modelos de Simulações - SPICE E BSIM
Leandro Manera e Jacobus W. Swart
APRESENTAÇÃO
DOS MODELOS SPICE DE SIMULAÇÃO DE CIRCUITOS
1 - Tipos de modelos usados em simulações de circuitos
2 - Equações dos modelos e seus respectivos parâmetros
3 - Simulações de circuitos utilizando os modelos descritos
4 - Porta lógicas
1 - Nomes dos modelos
Existem sete* tipos de modelos de dispositivos MOSFET. Portanto, dependendo da precisão desejada, temos:
Level 1 - Shichman-Hodges model ou MOS1
Level 2- Geometry based - analytic model ou MOS2
Level 3- Semi-empirical, short channel model ou MOS3
Level 4 - BSIM model
Level 5 - EKV model (version 2.6)
Level 6 - BSIM3 model (version 2)
Level 7 - BSIM3 model (version 3.1)
*Convém dizer que existem muitos outros tipos de modelos de dispositivos MOSFET, como exemplo podemos
citar os modelos do simulador Hspice( Avant!), Spectre (Cadence) Eldo (Mentor Graphics) e outros.
Esses modelos por sua vez são muito parecidos, alguma mudança pode ser notada apenas nos nomes dos parâmetros
utilizado pelos modelos.
Modelos SPICE e BSIM
BoaBoaBoa40,15Bsim3v3
BoaBoaBoa50,25Bsim3v2
RegularBoaBoa7,50,35Bsim 2
PobreRegular Boa150,8Bsim 1
PobrePobreRegular 201Spice 3
PobrePobrePobre252Spice 2
PobreNão é modelado
Pobre505Spice 1
Parâmetros de pequenos
sinais
Precisão de Id em sublimiar
Precisão de Id na inversão
forte
Tox mínimo
(nm)
L mínimo (m)
Modelo
Spice – desenvolvido na Universidade da Califórnia em Berkeley. Tem sido o mais utilizado no projeto de circuitos MOS com ótimos resultados.
Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis
Com a diminuição das dimensões dos dispositivos se faz necessário o uso do BSIM, que considera efeitos de mecanismos físicos antes desprezados.
BSIM – Berkeley Short channel IGFET Model
2 - Equações dos Modelos e Parâmetros de simulação
2.1 - Equações do modelo Spice nível 1
As equações usadas para o nível 1 do modelo de um transistor MOS em SPICE são:
Na região linear:
Para Vgs > Vt e Vds < Vgs - Vt
).Vds(1.2
Vds-Vt - Vgs.
Leff
WKP. IDS Vds
)p2Vbs-p2( 0Vt Vt Vt0 é tensão de limiar para Vbs=0
Na região de Saturação:
Para Vgs > Vt e Vds > Vgs - Vt
)..(1Vt - Vgs.Leff
W.
2
KP IDS 2 Vds
2Xjl- L Leff
ox.C' KP
oxC'
Na2 s
ni
Naln
q
kT p
tox
ox oxC'
2.1.1 - Parâmetros do modelo Spice nível 1
VTO KP GAMMAPHILAMBDATOXNSUBLDUOAFKF
SIMBOLO SPICE DESCRIÇÃO UNIDADES
Vt para vbs=0Transcondutância Efeito de corpoPotencial de superfície em inversãoModulação de canalEspessura de ÓxidoDopagem de SubstratoDifusão lateralMobilidade de superfícieExpoente Flicker noiseCoeficiente Flicker noise
V
A/V2
V1/2
V
V-1
m
cm-3
m
cm2/V.s -- --Parâmetros de efeitos parasitários
IS JS PBCJMJCJSWMJSWFCCGBOCGDOCGSORD
RSRSH
Corrente de Saturação de JunçãoDensidade de Corrente de Saturação de Junção Potencial de junçãoCapacitância por área para Vbs=0Coeficiente de graduação da junçãoCapacitância de perímetro por metro para Vbs=0Coeficiente de graduação da junção no perímetroCoeficiente de junção polarizada diretamenteCapacitância entre Porta e corpoCapacitância entre Porta e DrenoCapacitância entre Porta e FonteResistência do DrenoResistência da FonteResistência de folha de Fonte e Dreno
A
A/m2 V
F/m2
--F/m -- --F/mF/mF/m
VtKP 2ftoxNbXjl oAfKf
Is Js
JCjMjCjswMjswFCCcboCgdoCgsoRd
RsRsh
2.2 - Equações do modelo Spice nível 2
As equações usadas para o nível 2 do modelo de um transistor MOS em SPICE são:
Na região linear:
2
3
2
3
p2Vbsp2Vbs-Vds3
2Vds.
2
Vds-p2-Vfb - Vgs.
Leff
W.
.1
KP IDS
Vds
A tensão de limiar pode ser calculada a partir dos parâmetros físicos através da equação:
pp 22oxC'
q.Nss- ms Vt0 onde:
ni
Naln
q
kT
2
EgTPG - ms
Na região de Saturação:
Vds
1
1I IDS satD,
ID,sat é calculado na expressão acima (IDS na região linear) fazendo Vds=Vd,sat
Vfb)-Vgs(
21-1p2-Vfb- Vgs V
22
satD,
Na região de Inversão fraca:
q
nkTt V VON oxC'
Cd
oxC'
qNfs1 n
nkT
q.Von-Vgs
Ion.eIds
Ion=Ids em inversão forte, para Vgs=Von
Cd = Capacitância de depleção
Ue
VdsUtVtVgs
toxUc
.
.
ox
sKPKP'
Efeito da redução da mobilidade com o aumento de Vg
O termo em parêntesis é limitado a1
2.2.1 - Parâmetros do modelo Spice nível 2
VTO KP GAMMAPHILAMBDATOXNSUBNSSNFSNEFFXJLDTPGUOUCRITUEXPUTRAVMAXXQCDELTAAFKF
SIMBOLO SPICE DESCRIÇÃO UNIDADES
Vt para vbs=0Transcondutância Efeito de corpoPotencial de superfície em inversãoModulação de canalEspessura de ÓxidoDopagem de SubstratoDensidade de estados de superfícieDensidade de estados rápidos de superfícieCoeficiente de carga total de depleçãoProfundidade da junção metalúrgica Difusão lateralTipo do material do gate*MobilidadeCampo elétrico crítico para mobilidadeCoeficiente exponencial para mobilidadeCoeficiente do campo transversoMáxima velocidade de deriva de portadoresFração de carga no canal atribuída ao drenoEfeito da largura na tensão de limiarExpoente Flicker noiseCoeficiente Flicker noise
V
A/V2
V1/2
V
V-1
m
cm-3
cm-2
cm-2
--mm --cm2/V.sV/cm -- -- m/s -- -- -- -- Parâmetros de efeitos parasitários :
São os mesmos para os 3 primeiros níveis
VtKP 2ftoxNbNssNfsNeffXjXjlTpg oUcUeUtvmaxXqcAfKf
+1 oposto ao substrato *TPG = - 1 o mesmo do substrato 0 alumínio
2.3 - Equações do modelo Spice nível 3
As equações usadas para o nível 3 do modelo de um transistor MOS em SPICE são:
Na região linear:
Vds.Vds.2
Fb1-Vt-Vgs.
Leff
WKP. IDS
FnVbs-22
.FsFb
p
ox.W4.C'
.s.Fn
Efeito de canal curto (W)
Vbs)-pFn(2Vbs-p2.Fs.Vds-p2VfbVt representa empiricamente a dependênciade Vt com Vds
eff3
21
ox.LC'
8.15x10 - parâmetro ETA
Xj
Xjl
WpXj
Wp-1.
Xj
WcXjl
Leff
Xj-1Fs
No caso de não informar o valor de Kp
max.Leffs.Vds
1
seff
v
VbsVt)-(Vgs1s
É usado o mesmo modelo do nível 2 para inversão fraca
2.3.1 - Parâmetros do modelo Spice nível 3
VTO KP GAMMAPHILAMBDATOXNSUBNSSNFSXJLDTPGUOVMAXXQCDELTAETATHETAAFKF
SIMBOLO SPICE DESCRIÇÃO UNIDADES
Vt para vbs=0Transcondutância Efeito de corpoPotencial de superfície em inversãoModulação de canalEspessura de ÓxidoDopagem de SubstratoDensidade de estados de superfícieDensidade de estados rápidos de superfícieProfundidade da junção metalúrgica Difusão lateralTipo do material do gate*MobilidadeMáxima velocidade de deriva de portadoresFração de carga no canal atribuída ao drenoEfeito da largura na tensão de limiarEfeito de Vd sobre Vt Modulação da mobilidade VgFlicker noise expoenteFlicker noise coeficiente
V
A/V2
V1/2
V
V-1
m
cm-3
cm-2
cm-2
mm --cm2/V.sm/s -- -- --
V-1
-- --
Parâmetros de efeitos parasitários : São os mesmos para os 3 primeiros níveis
VtKP 2ftoxNbNssNfsXjXjlTpg ovmaxXqcAfKf
+1 oposto ao substrato *TPG = - 1 o mesmo do substrato 0 alumínio
2.4 - Equações do modelo BSIM (nível 4)
O modelo BSIM1 foi desenvolvido para tecnologia de 1um.
dsV.2
a-Vds.Vt)-(Vgs.
1
ox.C'.
Vt)-UOZ.(Vgs1
MU0 Ids 2
DL-L
UIZ
DL-L
DW-W
Vds
Ids na região Linear:
VsbPHI2
g.K11a
Vsb)0.8364(PHI1.744
11g
; e
X2MZ.Vsb-MUZ0)MU0(Vds
X2MS.Vsb-MUSVdd)MU0(Vds
X2U0.Vsb-U0U0Z
Vdd)-X3U1(VdsX2U1.Vsb-U1U1Z
ETADB.Vds-Vsb)K2.(PHIVsbPHIK1.PHIVFBVt
Equação da tensão de limiar
Vdd)-X3E.(VdsX2E.Vsb-ETAETADB
2.4.1 - Parâmetros do modelo BSIM
BSIM DESCRIÇÃO UNIDADESEncurtamento do canalEstreitamento do canal Coeficiente DIBLCoeficiente de efeito de corpoCoeficiente de divisão da carga de depleção entre S/DMobilidade com Vbs=0 e Vds=VddMobilidade sem polarizaçãoCoeficiente de inclinação de corrente sublimiar com polarizações nulasInclinação da região de sublimiar com polarização do substratoInclinação da região de sublimiar com polarização do drenoPotencial de superfície em inversãoTemperatura na qual foi realizada a medidaEspessura de óxidoDegradação da mobilidade com campo transversoVelocidade de saturação em polarização nulaFaixa de tensão de polarizaçãoTensão de bandas planasLargura da junção de dreno e fonteEfeito DIBL a polarização de substratoMobilidade no substrato em Vds=0Mobilidade no substrato em Vds=0Sensibilidade de degradação da mobilidade com VbsEfeito da velocidade de saturação com a polarização no substratoEfeito DIBL com a polarização de drenoSensibilidade da mobilidade com Vds em VddSensibilidade da velocidade de saturação com VdsFlag de modelos de capacitância
DLDW ETAK1K2MUSMUZNONBNDPHITEMPTOXU0U1VDDVFBWDFX2EX2MSX2MZX2UOX2U1X3EX3MSX3U1XPART
um
um --
V1/2
--cm2/V.scm2/V.s -- -- --VCum
V-1
um/VVVm
V-1
cm2/V.scm2/V.sV-2
um/ V2
V-1 cm2/V.s um/ V2 --
2.5.1 - Parâmetros do modelo EKV
EKV DESCRIÇÃO UNIDADESCOXXJDWDLHDIF VTOGAMMAPHIKPE0UCRITLAMBDAWETALETAIBAIBBIBNTCVBEXUCEXIBBTAVTOAKPAGAMMARBCRBSHRDCRGCRGSHRSC NSUBTHETATOXUOVFBVMAX
Capcacitância do óxido de gateprofundidade de junção Correção da largura do canalCorreção do comprimento do canalComprimento da área de difusão do gate fortemente dopadoTensão de limiarEfeito de corpoPotencial de superfícieTranscondutânciaCoeficiente de redução da mobilidadeCampo criticoModulação de canalCoeficiente de canal curto (W)Coeficiente de canal curto (L)Coeficiente de ionização por impacto (1)Coeficiente de ionização por impacto (2)Fator da tensão de saturação para ionização por impactoCoeficiente de temperatura para tensão de limiarExpoente da temperatura da mobilidadeExpoente da temperatura de campo criticoCoeficiente de temperatura para IBBÁrea relacionada ao coef. de temperatura da tensão de limiar??Parâmetro de área relacionada ao ganhoParâmetro de área relacionada ao efeito de corpoEfeito da velocidade de saturação com a polarização no substratoResistência de contato (corpo)Resistência de folha (corpo)Resistência de contato (dreno)Resistência de contato (gate) Resistência de folha (gate)Dopagem no canalCoeficiente da redução de mobilidadeEspessura de óxidoTensão de bandas planasVelocidade de saturação
F/mmm mmVV1/2
VA/ V2
V/mV/m -- -- --1/mV/m --
V/K -- --1/KV.mmV1/2.mohmohm/ohmohmohm/ ohm m V-1
mcm/V.sVm/s
2.7 - Equações do modelo BSIM3v3 (nível 7)
Vascbe
Vdseff-Vds1
Va
Vdseff-Vds1
Vdseffdseff)Rds.Idso(v
1
f)Idso(vdsefIds
Expressão da corrente de Dreno
Esat.LeffVdseff
1Leff.
2VbVdseff
-1eff.VdseffWeff.Cox.Ids0
Abulk
2vtVgsteffVb
vt = potencial térmico
1
Vadiblc
1
Vaclm
1
Esat.Leff
.Vgsteff1VasatVa
Pvag
ulkox.Weff.AbRds.vsat.C12
2vt2(VgstefftAbulk.Vdsa
-1gsteffCox.Weff.V2Rds.vsat.VdsatEsat.Leff
Vasat
lt..Abulk.Esa
Vgsteff.LeffAbulk.EsatVaclm Pclm
vtPdiblcb
vt
2VgstefftAbulk.Vdsa
tAbulk.Vdsa1
.Vbseff)rout(1
2VgsteffVadiblc
2)0
Leff-exp2)
02
Leffexp(-1rout Pdiblc
ltDrout
ltDroutPdiblc
Vdseff-Vds
.1exp
Leff
2
Vascbe
1 lPscbePscbe
Xjtoxox
sil .
Abulk - bulk charge effect
2.7.1 - Parâmetros do modelo BSIM3v3
BSIM DESCRIÇÃO UNIDADES
Ao total são 154 parâmetros
UOUAUBVsatA0 B0KETARDSWNFACTORETA0ETABPCLMPDIBLCDROUTPSCBEPVAGDELTANGATEDSUBCIT VFBVTK1K2K3DVT0TOXXJGAMMA1GAMMA2 XTVBXNSUB
Mobilidade à temperatura=TnomCoeficiente de degradação da mobilidade (1) Coeficiente de degradação da mobilidade (2) Velocidade de saturaçãoCoeficiente de efeito de corpo (L)Coeficiente de efeito de corpo (W)Coeficiente de efeito de corpo relacionado à polarizaçãoResistência Parasitária por unidade de larguraFator da inclinação na região de sublimiarCoeficiente do efeito DIBL na região de sublimiarCoeficiente de polarização de corpo para o efeito DIBL (sublimiar)Parâmetro de modulação de canalParâmetro de correção da resistência de saída para o efeito DIBLCoeficiente da dependência de L no efeito DIBLParâmetro da corrente induzida pelo substrato no efeito de corpoDependência do gate na tensão de EarlyParâmetro da tensão efetiva de dreno (Vdseff)Concentração da dopagem do gate de polisilícioExpoente do coeficiente do efeito DIBL na região de sublimiarCapacitância de interfaceTensão de bandas planasTensão de limiarCoeficiente de efeito de corpo (1 ordem)Coeficiente de efeito de corpo (2 ordem)Coeficiente de efeito de corpo (3 ordem)Coeficiente do efeito de canal curto na tensão de limiarEspessura do óxido de gateProfundidade de junçãoCoeficiente do efeito de corpo próximo à interfaceCoeficiente do efeito de corpo no corpoProfundidade de dopagemTensão de Vbs ao qual a região de depleção é igual a XTDopagem do substrato
cm/V.sm/Vm/V m/sec --m1/Vohm.um -- --1/V -- -- --
V/m --Vcm-3
--F/ m2
VVV1/2
-- -- --mm
V1/2
V1/2
m V1/cm-3
3 - Simulações de circuitos utilizando os modelos
3.1 - Nível 1 (MOS1)a) Curva característica
Parâmetros do Transistor simulado
b) Vt
Curva característica para 2 tipos de espessura de óxido, simulado
com o dispositivo anterior
Esquemático utilizado no simulador para a obtenção
da curva característica
3.2 - Nível 2 (MOS2)
3 - Simulações
Parâmetros do Transistor simulado
Variação de Ids com KP
Comparação entre curvas característica simuladas para o mesmo dispositivo em dois níveis diferentes
3.2 - Nível 2 Curvas logarítmica e linear , simuladas com o modelo do nível 2
Variação do Log de ID
com NFS
3 - Simulações
3.3 - Nível 3 (MOS3)
Parâmetros do Transistor simulado
Variação de Ids com simuladacom o modelo do SPICE nível 3
3.3 - Nível 3 (MOS3)
Esquemático utilizado no simulador para a obtenção
da curva de Vt
Com 50mV aplicado ao dreno, variando a tensão de gatee tendo Vbs como parâmetro
Variação de Vt com simuladacom o modelo do SPICE nível 3
3 - Simulações
3.3 - Nível 3 (MOS3)
Variação de Id com o parâmetro ETA
3 - Simulações
3.4 - Nível 4 (BSIM)
Comparação entre o nivel 2 e o nivel 4, para o mesmo dispositivo
Vds=50mv
3 - Simulações3.4 - Nível 4 (BSIM)
3 - Simulações3.5 - Nível 5 (EKV)
Curva características de um dispositivo de pequenas dimensões, com tensão aplicada nodreno de até 5V.
Mesmo dispositivo acima, mas agora com apenas 3V aplicado no dreno
3 - Simulações3.5 - Nível 5 (EKV)
Vbs=0
Vbs=-2
Vbs=-4
Vbs=0
Vbs=-1
Vbs=-2
Vbs=-3
Vbs=-4
3 - Simulações3.7 - Nível 7 (BSIM3v3) Variação Id com velocidade de saturação
Vt
3 - Simulações3.7 - Nível 7 (BSIM3v3)
Gráfico log de Ids, para o nível 7
4- PORTA LÓGICAS MOS
A) nmos, carga tipo depleção:
a) Inversor
Ve Vt I=0 Vs=V1=Vdd
))(2()( 200
2 VVVVKVKI TEETDD
Onde Ve=Vdd
TDD
TD
E
D
TDD
TD
E
D
VV
V
LW
LW
VV
V
K
KV
22
)/(
)/(0
Ex: 0,4 , 5v , v1 , v2 0 VVVV DDTTD 5,2(W/L)
(W/L)
D
E
E
0
1
S
1
0
b) NORE2
0
1
0
1
S
1
0
0
0
E1
0
0
1
1
Usar o mesmo r do inversor
E1
E2 S=E1+E2
c) NAND E2
0
1
0
1
S
1
1
1
0
E1
0
0
1
1
Usar o r=2r inversorpara obter o mesmo V0
E1
E2S=E1.E2
B) CMOS
a) Inversor
V1 = Vdd
V0 = 0} Independente de r
A curva de transferência será simétrica se n = p
onde = (W/L)..Co ; como n 3p (W/L)p (W/L)n
A(pMOS) > A(nMOS) Há compromisso entre integração (Área) e simetria da curva de transferência
b) NOR
E2
0
1
0
1
S
1
1
1
0
E1
0
0
1
1
E2
0
1
0
1
S
1
0
0
0
E1
0
0
1
1
c) NAND
Com portas inversoras, NOR, NAND podemos fazer qualquer função lógica.Porém, outras portas permitem reduzir o número total de transistores
Layout de uma porta
NOR CMOS
Layout de uma porta
NAND CMOS
C) Superportas ou SCCG
Com inversores, nands e nors, podemos implementar qualquer equação lógica, ou seja, poderíamos implementar qualquer circuito digital utilizando estas três portas lógicas. Porém para obtermos um circuito otimizado, através da redução no número de transistores necessários, podemos utilizar portas lógicas que implementam funções mais complexas do que as 3 representadas acima. Estas portas lógicas são chamadas de superportas ou SCCG (Static Cmos Complex Gates) e são obtidas por uma associação série/paralelo de transistores. Na figura 4.20 são representados os esquemas elétricos de uma superporta que implementa a função S=A.B + C.(D.E). Por motivos de desempenho elétrico, normalmente não é ultrapassado o limite de 4 transistores em série, o que já permite realizar mais de mil funções diferentes. Na síntese automática do layout pode-se explorar a síntese de funções SCCGs. As superportas que apresentam dois níveis um AND e um OR ou vice-versa são conhecidas respectivamente por AOI e OAI (fig. 4.21)
Figura 4.20 Esquemas lógico e elétrico de uma superporta (SCCG)
S=A.B+C.(D.E)
Figura 4.21 - Representação de uma superporta (exemplo para uma OAI e uma AOI)
D) Chaves de passagem:
a) nmosVc
E F
..Vdd
..0
..0
..Vdd
Vc
VE
VFVdd- Vt
..0
Quando Vc=Vdd e VE = Vdd VE tende a VE
porém o transistor está em saturação
2)()( 2TCFTD VVKVVgsKI
Quando VCF=VT I=0 VF=VDD-VT
VF será menor que VE=VE-VT !
b) Chave CMOS
Esta resolve o problema da chave nMOS, pois, com a chave fechada, um dos transistores
está em triodo e o outro em saturação
Com transistor em triodo VF=VE
Mutiplexadores CMOS
Figura 4.22 - Porta de passagem CMOS e símbolos usuais (Trasmission Gate)
Figura 4.2.3 - Multiplexador de 2 entradas com buffer de saída
Portas XOR (OU exclusivo)
Uma célula lógica correspondente a uma função lógica XOR, ou seja, OR exclusivo, onde a saída S é igual a 1 quandoapenas uma das entradas A ou B for igual a 1. Quando ambas as entradas forem iguais a 0, ou iguais a 1, teremos que asaída S recebe o valor 0. Na figura 4.24 é apresentado um conjunto de portas lógicas que implementam uma função XNOR, ou seja, quando apenas uma das entradas for 1, a saída apresentará o valor inverso, isto é, um zero lógico.
A solução composta por portas lógicas apresentada na figura 4.24 é composta de 10 transistores,enquanto que a solução com chaves é composta de 4 transistores, que passará a 6 transistores secolocarmos um inversor na saída formando um XNOR.
B
0
1
0
1
S
1
0
0
1
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
S
0
1
1
0
A
0
0
1
1
Figura 4.25 - Porta XOR implementada com chaves
Figura 4.24 - Conjunto de portas lógicas que implementam uma função XNOR
S = AB
Referências
1- Semiconductor Device Modeling with Spice (Paolo Antognetti & Giuseppe Massobrio)
2- CMOS - circuit design, layout and simulation (R. Jacob Baker, Harry W. Li, David Boyce)
3 - Mosfet Modeling & Bsim user’s guide (Yuhua Cheng, Chenming Hu)
4- Operation and Modeling of the Mos Transistor (Yannis Tsividis)
5- Orcad’s manual
6- IEEE - Transactions on Electron Devices n9 - September 1983 (1219-1228)
Site na Internet:
Contém vários modelos de simulação de circuitos
http://sc.tamu.edu/help/hspice/html_doc/manual/hspice-128.html
F I M
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