Mosfet的等效网络及仿真方法
【专利摘要】本发明公开了一种MOSFET的等效网络及仿真方法，高压MOS或者LDMOS等高压器件由于工作在高压大电流的运行状态下，器件自身发热比较明显，传统的SPICE?BSIM3、BSIM4等仿真模型并不包含器件的热效应仿真，本发明基于传统的BSIM模型，增加电压控制电压源、电流控制电流源及外接电阻组成网络来精确仿真器件的自发热效应，提高了仿真的精确度，缩短器件设计周期。
【专利说明】MOSFET的等效网络及仿真方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体器件的制造领域，特别是指一种MOSFET的等效网络，本发明还涉及所述MOSFET的仿真方法。
【背景技术】
[0002]随着集成电路中功率器件如功率整流器、功率放大器等的发展，高压M0S、高压LDMOS(LateralIy Diffused Metal Oxide Semiconductor 横向双扩散金属氧化物半导体)等也被广泛应用于这些高压集成电路中。模型需要准确模拟器件漏极电流随栅源电压从小到大的变化。如图1所示，当器件工作于栅源电压、栅漏电压都比较大的工作条件时，器件处于高压大电流情况，此时器件功耗p=ids*vds较大，图中五条曲线，对应的Ves逐渐由IV升至5V的情况，器件温度升高，漏极电流IDS减小，此现象即为器件自发热效应。目前标准SPICE (Simulation Program With Integrated Circuit Emphasis 集成电路增强模拟程序)的 BSIM (Berkeley Short channel Insulated gate field effecttransistor Model伯克利短沟道绝缘栅场效应晶体管模型)模型并不包含此器件效应，不能准确模拟器件自发热效应，从而降低电流仿真精度。因此包含器件自发热效应的精确模型是电路仿真的关键。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题在于提供一种MOSFET的等效网络，并通过此等效网络来精确仿真MOSFET的自发热效应。
[0004]为解决上述问题，本发明所述的MOSFET的等效网络，包含一 M0SFET，电流控制电流源FJFET，第一及第二电压源，第一及第二电压控制电压源，第一、第二、第三及第四电阻，其中:
[0005]MOSFET的漏极连接第三电阻的第一端，第三电阻的另一端引出所述等效网络的漏极；MOSFET的源极连接第四电阻的第一端，第四电阻的另一端引出所述等效网络的源极；MOSFET的栅极及衬底电极直接引出；
[0006]电流控制电流源的两端分别接在MOSFET的源极和漏极；
[0007]第一电压控制电压源由MOSFET的源漏电压控制，且第一电压控制电压源作用于第一电阻并产生电流流经第一电压源；
[0008]第二电压控制电压源由第三电阻两端的电压控制，且第二电压控制电压源作用于第二电阻并产生电流流经第二电压源。
[0009]进一步地，所述的MOSFET由SPICE程序提供，是一源漏对称，或者不对称的MOSFET。
[0010]进一步地，所述第三电阻模拟MOSFET的漏极电阻，第四电阻模拟MOSFET的源极电阻；第一电压控制电压源由MOSFET的源漏电压控制，且第一电压控制电压源控制第一电阻使第一电压源产生相应电流；第二电压控制电压源由第三电阻两端的电压控制，且第二电压控制电压源控制第二电阻使第二电压源产生相应的电流；第一电压源及第二电压源产生的电流反馈到电流控制电流源，以模拟MOSFET的自发热效应。
[0011]一种MOSFET的仿真方法，包含如下两个步骤:
[0012]步骤一，构建MOSFET的等效网络；
[0013]步骤二，利用构建的等效网络进行MOSFET的仿真。
[0014]进一步地，所述步骤一中，MOSFET的等效网络包含有一基础M0SFET，一电流控制电流源，第一、第二、第三、第四电阻，第一及第二电压控制电压源，第一及第二电压源，其中:
[0015]MOSFET的漏极连接第三电阻的第一端，第三电阻的另一端引出所述等效网络的漏极；MOSFET的源极连接第四电阻的第一端，第四电阻的另一端引出所述等效网络的源极；MOSFET的栅极及衬底电极直接引出；
[0016]电流控制电流源的两端分别接在MOSFET的源极和漏极；
[0017]第一电压控制电压源由MOSFET的源漏电压控制，且第一电压控制电压源作用于第一电阻并产生电流流经第一电压源；
[0018]第二电压控制电压源由第三电阻两端的电压控制，且第二电压控制电压源作用于第二电阻并产生电流流经第二电压源。
[0019]进一步地，所述的基础MOSFET由SPICE程序提供，是一源漏对称，或者源漏不对称的 MOSFET。
[0020]进一步地，所述的MOSFET的等效网络，第三电阻模拟MOSFET的漏极电阻，第四电阻模拟MOSFET的源极电阻，且需考虑第三及第四电阻的电压系数及温度系数；第一电压控制电压源由MOSFET的源漏电压控制，且第一电压控制电压源控制第一电阻使第一电压源产生相应电流；第二电压控制电压源由第三电阻两端的电压控制，且第二电压控制电压源控制第二电阻使第二电压源产生相应的电流；第一电压源及第二电压源产生的电流反馈到电流控制电流源，以模拟MOSFET的自发热效应。
[0021 ] 进一步地，所述电流控制电流源受第一及第二电压源的对应电流控制。
[0022]进一步地，通过第一及第二电压控制电压源的温度依存性来模拟器件自发热效应和温度依存性。
[0023]本发明所述的MOSFET的等效网络及仿真方法，通过外接第三及第四电阻来模拟MOSFET的源漏电阻，且考虑外接电阻的电压及温度系数，通过第一电压控制电压源、第一电阻及第一电压源来采样及反馈MOSFET的源漏电流，第二电压控制电压源、第二电阻及第二电压源来采样及反馈漏极电阻(即第三电阻)的电流，反馈的源漏电流及漏极电阻的电流共同控制电流控制电流源，以精确仿MOSFET的自发热效应，提高器件应用与高压大电流区域的仿真精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是包含自发热效应的MOSFET的输出特性曲线；
[0025]图2是本发明包含自发热效应的MOSFET等效网络。
[0026]附图标记说明
[0027]FJFET是电流控制电流源，RXl是第一电阻，RX2是第二电阻，Rd是第三电阻，Rs是第四电阻，EXl是第一电压控制电压源，EX2是第二电压控制电压源，VSENSE1是第一电压源，VSENSE2是第二电压源。
【具体实施方式】
[0028]本发明所述的MOSFET的等效网络，结合附图2说明如下:
[0029]所述MOSFET的等效网络包含一 M0SFET，电流控制电流源FJFET，第一电压源VSENSEI及第二电压源VSENSE2，第一电压控制电压源EXl及第二电压控制电压源EX2，第一电阻RXl、第二电阻RX2、第三及第四电阻，其中:
[0030]如图2所示，MOSFET的漏极连接第三电阻的第一端，第三电阻用于模拟MOSFET的漏极电阻Rd，第三电阻的另一端引出所述等效网络的漏极；M0SFET的源极连接第四电阻的第一端，第四电阻用于模拟MOSFET的源极电阻Rs，第四电阻Rs的另一端引出所述等效网络的源极；M0SFET的栅极及衬底电极直接引出；
[0031 ] 电流控制电流源FJFET的两端分别接在MOSFET的源极和漏极；
[0032]第一电压控制电压源EXl由MOSFET的源漏电压控制，且第一电压控制电压源作用于第一电阻并产生电流流经第一电压源VSENSE1 ；
[0033]第二电压控制电压源EX2由第三电阻两端的电压控制，且第二电压控制电压源作用于第二电阻并产生电流流经第二电压源VSENSE2。
[0034]通过上述的等效网络，即可进行MOSFET的仿真。网络中的MOSFET是由SPICE程序提供，为源漏对称，或者不对称的基础M0SFET，第三电阻模拟MOSFET的漏极电阻Rd，第四电阻模拟MOSFET的源极电阻Rs，且需考虑第三及第四电阻的电压系数(VV1，VV2)及温度系数(tclX，tc2X);当器件是非对称结构时，外接源漏电阻RD，RS能更好地反映器件非对称特性。
[0035]第一电压控制电压源EXl由MOSFET的源漏电压控制，即图2中EXl=f (V (nl, n2))，且第一电压控制电压源EXl控制第一电阻RXl使第一电压源VSENSE1产生相应电流；第二电压控制电压源EX2由第三电阻Rd两端的电压控制，即EX2=f(V(d，nl))，且第二电压控制电压源EX2控制第二电阻RX2使第二电压源VSENSE2产生相应的电流；第一电压源VSENSE1及第二电压源VSENSE2产生的电流一起反馈到电流控制电流源FJFET，即FJFET=f (I (VSENSE1)，I (VSENSE2))，电流控制电流源用于模拟MOSFET的自发热效应。
[0036]电压控制电压源EXl由电压V(nl，n2)控制，电压V(nl，n2)作用于I欧姆电阻RXl，在电压源VSENSE1上产生数值等于(nl，n2)之间的电流，即所示MOSFET的源漏电流。电压控制电压源EX2由漏极电阻上的压降V(d，nl)控制，电压V(d，nl)作用于I欧姆电阻RX2，在电压源VSENSE2上产生数值等于(d，nl)之间的电流，即流过漏极电阻Rd的电流。
[0037]当栅源电压VGS较小时，ID(Hicore)较小，假设FJFET电流也较小，因此I (Rd)也小，V(d，nl)、V(nl，n2)很小，FJFET电流很小，验证了前面的假设。此时FJFET对器件特性没有影响，模型类似于常规BSIM模型，符合器件物理特性，当器件漏电流较小时，器件发热较少，器件没有自发热效应。
[0038]当栅源电压VGS较大时，ID (mcore)较大，假设FJFET电流也较大，因此I (Rd)也大，V(d，nl)、V(nl，n2)增大，FJFET 电流增大。由于 I (Rd) =ID (mcore)-1 (FJFET)，因此大的FJFET电流降低I(Rd),满足自发热效应。模型参数提取时要通过合理设置系数pll?pll2，p21?p212以精确模拟自发热效应。
[0039]其中，系数pell、pel2分别对应电压控制电压源EXl的一阶温度系数和二阶温度系数，pe2U pe22分别对应电压控制电压源EX2的一阶温度系数和二阶温度系数。通过四个温度系数的提取以模拟器件自发热效应的温度依存性。
[0040]本发明所述的MOSFET具体模型文件如下所述:
[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]以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限定本发明。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种MOSFET的等效网络，其特征在于:所述MOSFET仿真模型的等效网络包含一M0SFET，电流控制电流源，第一及第二电压源，第一及第二电压控制电压源，第一、第二、第三及第四电阻，其中: MOSFET的漏极连接第三电阻的第一端，第三电阻的另一端引出所述等效网络的漏极；M0SFET的源极连接第四电阻的第一端，第四电阻的另一端引出所述等效网络的源极；MOSFET的栅极及衬底电极直接引出； 电流控制电流源的两端分别接在MOSFET的源极和漏极； 第一电压控制电压源由MOSFET的源漏电压控制，且第一电压控制电压源作用于第一电阻并产生电流流经第一电压源； 第二电压控制电压源由第三电阻两端的电压控制，且第二电压控制电压源作用于第二电阻并产生电流流经第二电压源。
2.如权利要求1所述的MOSFET的等效网络，其特征在于:所述的MOSFET由SPICE程序提供，是一源漏对称，或者不对称的MOSFET。
3.如权利要求1所述的MOSFET的等效网络，其特征在于:所述第三电阻模拟MOSFET的漏极电阻，第四电阻模拟MOSFET的源极电阻；第一电压控制电压源由MOSFET的源漏电压控制，且第一电压控制电压源控制第一电阻使第一电压源产生相应电流；第二电压控制电压源由第三电阻两端的电压控制，且第二电压控制电压源控制第二电阻使第二电压源产生相应的电流；第一电压源及第二电压源产生的电流反馈到电流控制电流源，以模拟MOSFET的自发热效应。
4.一种MOSFET的仿真方法，其特征在于:包含如下两个步骤: 步骤一，构建MOSFET的等效网络； 步骤二，利用构建的等效网络进行MOSFET的仿真。
5.如权利要求4所述的MOSFET的仿真方法，其特征在于:所述步骤一中，MOSFET的等效网络包含有一基础M0SFET，一电流控制电流源，第一、第二、第三、第四电阻，第一及第二电压控制电压源，第一及第二电压源，其中: MOSFET的漏极连接第三电阻的第一端，第三电阻的另一端引出所述等效网络的漏极；M0SFET的源极连接第四电阻的第一端，第四电阻的另一端引出所述等效网络的源极；MOSFET的栅极及衬底电极直接引出； 电流控制电流源的两端分别接在MOSFET的源极和漏极； 第一电压控制电压源由MOSFET的源漏电压控制，且第一电压控制电压源作用于第一电阻并产生与第一电压控制电压源等数值电流，此电流流经第一电压源； 第二电压控制电压源由第三电阻两端的电压控制，且第二电压控制电压源作用于第二电阻并产生与第二电压控制电压源等数值电流，此电流流经第二电压源。
6.如权利要求5所述的MOSFET的仿真方法，其特征在于:所述的基础MOSFET由SPICE程序提供，是一源漏对称，或者源漏不对称的M0SFET。
7.如权利要求4和5所述的MOSFET的仿真方法，其特征在于:所述的MOSFET的等效网络，外接的第三电阻用于模拟MOSFET的漏极电阻，第四电阻用于模拟MOSFET的源极电阻，且需考虑外接的第三及第四电阻的电压系数及温度系数；第一电压控制电压源由MOSFET的源漏电压控制，且第一电压控制电压源控制第一电阻使第一电压源产生相应电流；第二电压控制电压源由第三电阻两端的电压控制，且第二电压控制电压源控制第二电阻使第二电压源产生相应的电流；第一电压源及第二电压源产生的电流反馈到电流控制电流源，以模拟MOSFET的自发热效应。
8.如权利要求5所述的MOSFET的仿真方法，其特征在于:所述电流控制电流源受第一及第二电压源的对应电流控制。
9.如权利要 求5所述的MOSFET的仿真方法，其特征在于:通过第一及第二电压控制电压源的温度依存性来模拟器件自发热效应和温度依存性。
【文档编号】G06F17/50GK103838896SQ201210488418
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年11月26日 优先权日:2012年11月26日
【发明者】武洁 申请人:上海华虹宏力半导体制造有限公司