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SPICE中器件模型的演变
SPICE里面自带了很多模型。像无源元件电阻，电容，电感等等，以及有源器件二极管，双极管等。但花样最多的，变化最频繁的，复杂度最高的，当属MOSFET的模型了。这主要是因为从七八十年代以后，MOSFET的工艺因它的低功耗，高集成度而变成了主流。那时候还是个半导体工业百花争鸣的年代。很多半导体公司如雨后春笋般的冒出来（就像现在的社交媒体公司一样）。几乎每一家公司都在工艺及器件上有点自己的绝活，所以集成电路公司大多是个独立器件制造商（IDM）。这就造成了MOSFET的模型也层出不穷。谁家的SPICE支持的MOSFET模型越多，谁的SPICE用户群就越大。这点我们在下面HSPICE的章节中还会提到。
前面我们说过SPICE2中加上了MOSFETLevel 1的模型。等到SPICE3出来的时候，里面已经加入了Level2, 及Level3模型。到了九十年代，又加入了著名的BSIM（BerkeleyShort-channel IGFET Model）模型。可以这样说，现在所有的foundry用的模型都来自于BSIM家族。为什么在那么多MOSFET模型中，BSIM胜出了呢？
我们知道，SPICE是用来解含有非线性器件的电路方程的。解非线性方程的一个有效方法就是牛顿迭代–把非线性方程在某个点给它线性化，然后逐次逼近最终解。这个过程有点像俩个宇航飞船对接– 如果对方的接口在你的左边，你就往左偏一下。如果你偏多了，对方的接口在你的右边了，你就再稍往右偏点，直到最后俩个接口对准锁定。但这里面有个要求：就是非线性曲线的一阶导数要连续。如果不连续的话，就好像喝醉酒的人来控制飞船对接，忽左忽右，或者根本就掉过头来，不知东西南北，上下左右了，如何能对接上呢？不幸的是，很多早期的MOSFET模型（包括Level1，2，3）都有这个问题–模型的电流曲线的一阶导在工作区域内不连续。这是因为人为的把器件分成了不同的工作区域（呵呵，如果你是学器件的，你应该知道截止区，线性区，饱和区）。不同区之间能保证电流连续已经不错了，哪还去管它的导数呢!这样做的后果就像管对接的人喝醉了酒（呵呵），没法瞄准目标，最后导致SPICE不收敛（non-convergence），或时间步长太小（TimeStep Too Small – 这有很大可能也是不收敛造成的）。
早期的BSIM模型还保留了工作区域的观念。但在不同的区域之间加入了平滑过渡曲线，以保证电流曲线及其一阶导的连续性。在它后来的版本中，就彻底抛弃了工作区域的观念–干脆只用一个(连续且可导的)曲线来代表整个工作区域里的特性。这样就从根本上解决了不连续的问题。BSIM家族中最成功的代表是BSIM3v3（HSPICE中的Level49）和BSIM4v5（HSPICE中的Level54）。从此以后，再也没有其他的模型能出其右。它们俩也是工业界的MOSFET器件模型标准。BSIM3v3跨越了亚微米的工艺（0.3微米至0.13微米，大致从1993年到2000年），BSIM4v5跨越了深亚微米到纳米的工艺（90纳米至20纳米，大致从2002年到2012年）。
你可能会问：这么好的器件模型是谁做的？猜一下–对了，还是伯克利。是伯克利电子系器件模型小组。它的掌门人就是胡正明教授（Prof.Chenmin Hu）。
今天的SPICE开发者要感谢胡教授。如果BSIM不是工业标准，那你就得像HSPICE一样加几十上百个MOSFET模型。不光工作量大，容易出错，还有很多内部的模型人家还不愿意给你呢（参见下面Smart-Spice的故事）。而现在，你只要加一、二个开源的BSIM标准模型就可以覆盖绝大部分用户了。
有同学要问：现在的最新工艺不是已经到了16纳米，14纳米，以至10纳米，那这些工艺的器件结构与模型又是什么呢？答案已经有了：还是胡教授的小组开发的FinFET（也叫3维MOSFET）模型。实际上，早在99年胡教授就发表了FinFET的文章。因此他也被称作FinFET之父。他同时是美国和中国的科学院士。同学，如果你的一生中能达到以上其中的任何一项，是不是就可以笑傲江湖了呢？
就像半导体工艺由简到繁的过程一样，MOS器件模型也从Level1的几个公式/几十行代码，发展到BSIM的几百个公式/上万行代码。这里值得提出的一点，与BSIM3/BSIM4模型不同的是，FinFET模型不是用C语言，而是用Verilog-A语言写的。这直接导致了把它加到SPICE3中的困难。虽然很多商业SPICE已经支持Verilog-A，但现在开源的SPICE3却还没有做到（这里插一句：基于SPICE3的ngspice当中包含了支持Verilog-A的开源编译器ADMS。但要做到完全自动编译FinFET模型这样重量级的模块还有一段路要走）。也就是说，虽然FinFET模型是开源的，但现在它的仿真载体并不开源。这种现象与早期的SPICE研发反了过来。现在学术界落到了工业界的后面。看到这儿，学术界的同学是不是要深思一下呢？
(待续）
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发表于 2015-9-13 02:31:25
楼主
。功率MOSFET模型是“主流”MOSFET模型的分支及延伸，像Silvaco的Level88就是基于BSIM3v3，Synopsys的Level66是基于BSIM4做的。相对于一般的MOSFET，功率模型要考虑功率器件本身的特点，像跟偏置有关的沟道电阻，高电压特性，热阻特性等。如果是学术上的讨论，那可以说每个模型都各有利弊（这倒是发文章的好方法）。如果是业界里用，那选择标准就不一样了。这时候器件模型只是很多考虑因素之一，你还需要考虑工艺的支持及模型参数提取，以及其它需要的工具，等等。最终选择的结果从模型角度看不一定是最好的（其实差得也没那么多），但从公司的角度看，一定要是最优的。