МОП-транзисторы Преодоление полупроводниковой технологией 0,25-микронного рубежа предъявило новые требования к системам моделирования ИС. Теперь даже цифровые ИС требуют детального схемотехнического моделирования с применением точных компактных моделей.
Классификация моделей транзисторов Пригодность модели для замещения компонента электрической цепи с целью её машинного моделирования является главным отличительным признаком компактных моделей. Основным противоречием, которое преодолевается при разработке компактной модели, является противоречие между точностью и сложностью. Термин «компактная модель» является общепризнанным в зарубежной литературе и отражает основное требование к таким моделям — требование вычислительной простоты(компактности).
В российской литературе компактные модели называют также электрическими моделями подчеркивая тем самым их назначение моделирование электрических цепей. Используется также термин «компонентная модель», поскольку она служит для моделирования прибора как компонента электрической цепи.В отличие от физико-технологических моделей, которые отражают физические процессы, протекающие в полупроводниковых приборах, и описываются системой дифференциальных уравнений в частных производных, компактные модели отражают поведение прибора только относительно его внешних зажимов и описываются системой обыкновенных дифференциальных уравнений .
К компактным моделям не относятся также достаточно сложные математические модели, описывающие физические процессы в МОП-транзисторах. Эти модели служат для объяснения и глубокого аналитического исследования транзисторных структур с целью их оптимального конструирования и создания элементной базы нового поколения.
Существуют также очень простые модели для ручных аналитических расчётов, которые широко используются для синтеза электрических цепей, для мысленного анализа принципов их работы, для изобретения новых схемных решений. Их также не относят к компактным моделям.
Физические и формальные компактные модели. Физические модели создаются в результате анализа физических процессов, протекающих в приборе с упрощенной (модельной) геометрией, с упрощенным распределением легирующих примесей, в одномерном, квазидвумерном или квазитрехмерном приближении. При получении таких моделей используется множество других упрощающих предположений:о диапазоне применимости, о погрешности аппроксимации, о постоянстве параметров и др. Детальное исследование физических процессов и строгое обоснование сделанных допущений очень важно для создания простой и одновременно точной компактной модели.
Несмотря на множество упрощающих предположений, физические модели сохраняют физический смысл своих параметров и часто позволяют установить связь этих параметров с основными параметрами технологического процесса.
Примерами физических моделей являются BSIM3 (BSIM4), EKV, HSPICE Level 28.
В отличие от физических, формальные модели (эмпирические) строятся на основе формального сходства между поведением модели и объекта относительно внешних выводов. При этом уравнения модели выводятся не из физических представлений о работе прибора, а путём экспертного подбора функциональных зависимостей для наилучшей аппроксимации вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик. Для получения таких моделей широко используются методы среднеквадратической подгонки параметров уравнений с целью минимизации погрешности моделирования.
В практике схемотехнического моделирования долгое время использовались как формальные, так и физические модели, однако, последние 10 лет и в настоящее время подавляющее большинство разработчиков СБИС применяют исключительно физические модели, поскольку только они позволяют прогнозировать поведение транзистора при изменении его геометрии и электрофизических параметров.
Задачи решаемые с помощью компактных моделей Основной группой пользователей компактных моделей являются схемотехники, проектирующие ИС, и технологи, разрабатывающие процесс её изготовления.
С помощью компактных моделей решаются следующие задачи:
a) На этапе проектирования :
a.проверка функционирования электрической цепи; b.анализ чувствительности цепи к изменению параметров её элементов; c.прогнозирование характеристик цепи при изменении техпроцесса и размеров элементов; b) После того, как цепь синтезирована:
a.оптимизация параметров элементов; b.расчёт статистических характеристик c) Перед передачей проекта в кремниевую мастерскую:
a.верификация проекта с учётом паразитных элементов; d) В кремниевой мастерской :
a.определение стабильности техпроцесса; b.разработка новых транзисторов; c.прогнозирование характеристик ИС при изменении техпроцесса и размеров элементов; e) Перенос информации о техпроцессе между кремниевой мастерской и проектировщиками ИС.
Преодоление полупроводниковой технологией 0,25-микронного рубежа предъявило новые требования к системам моделирования ИС. Теперь даже цифровые ИС требуют детального схемотехнического моделирования с применением точных компактных моделей.
Пригодность модели для замещения компонента электрической цепи с целью её машинного моделирования является главным отличительным признаком компактных моделей. Основным противоречием, которое преодолевается при разработке компактной модели, является противоречие между точностью и сложностью. Термин «компактная модель» является общепризнанным в зарубежной литературе и отражает основное требование к таким моделям — требование вычислительной простоты(компактности).
В российской литературе компактные модели называют также электрическими моделями подчеркивая тем самым их назначение моделирование электрических цепей. Используется также термин «компонентная модель», поскольку она служит для моделирования прибора как компонента электрической цепи.В отличие от физико-технологических моделей, которые отражают физические процессы, протекающие в полупроводниковых приборах, и описываются системой дифференциальных уравнений в частных производных, компактные модели отражают поведение прибора только относительно его внешних зажимов и описываются системой обыкновенных дифференциальных уравнений .
К компактным моделям не относятся также достаточно сложные математические модели, описывающие физические процессы в МОП-транзисторах. Эти модели служат для объяснения и глубокого аналитического исследования транзисторных структур с целью их оптимального конструирования и создания элементной базы нового поколения.
Существуют также очень простые модели для ручных аналитических расчётов, которые широко используются для синтеза электрических цепей, для мысленного анализа принципов их работы, для изобретения новых схемных решений. Их также не относят к компактным моделям.
Физические модели создаются в результате анализа физических процессов, протекающих в приборе с упрощенной (модельной) геометрией, с упрощенным распределением легирующих примесей, в одномерном, квазидвумерном или квазитрехмерном приближении. При получении таких моделей используется множество других упрощающих предположений:о диапазоне применимости, о погрешности аппроксимации, о постоянстве параметров и др. Детальное исследование физических процессов и строгое обоснование сделанных допущений очень важно для создания простой и одновременно точной компактной модели.
Несмотря на множество упрощающих предположений, физические модели сохраняют физический смысл своих параметров и часто позволяют установить связь этих параметров с основными параметрами технологического процесса.
Примерами физических моделей являются BSIM3 (BSIM4), EKV, HSPICE Level 28.
В отличие от физических, формальные модели (эмпирические) строятся на основе формального сходства между поведением модели и объекта относительно внешних выводов. При этом уравнения модели выводятся не из физических представлений о работе прибора, а путём экспертного подбора функциональных зависимостей для наилучшей аппроксимации вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик. Для получения таких моделей широко используются методы среднеквадратической подгонки параметров уравнений с целью минимизации погрешности моделирования.
В практике схемотехнического моделирования долгое время использовались как формальные, так и физические модели, однако, последние 10 лет и в настоящее время подавляющее большинство разработчиков СБИС применяют исключительно физические модели, поскольку только они позволяют прогнозировать поведение транзистора при изменении его геометрии и электрофизических параметров.
Основной группой пользователей компактных моделей являются схемотехники, проектирующие ИС, и технологи, разрабатывающие процесс её изготовления.
С помощью компактных моделей решаются следующие задачи:
a) На этапе проектирования :
a.проверка функционирования электрической цепи;
b.анализ чувствительности цепи к изменению параметров её элементов;
c.прогнозирование характеристик цепи при изменении техпроцесса и размеров элементов;
b) После того, как цепь синтезирована:
a.оптимизация параметров элементов;
b.расчёт статистических характеристик
c) Перед передачей проекта в кремниевую мастерскую:
a.верификация проекта с учётом паразитных элементов;
d) В кремниевой мастерской :
a.определение стабильности техпроцесса;
b.разработка новых транзисторов;
c.прогнозирование характеристик ИС при изменении техпроцесса и размеров элементов;
e) Перенос информации о техпроцессе между кремниевой мастерской и проектировщиками ИС.