建立一个nmos 的spectre SPICE model （Level 1）

xuanxu · 发表于 2021-5-9 19:20:27

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本帖最后由 xuanxu 于 2021-5-9 19:39 编辑

都说拉扎维的书每次看，每次的感受都不一样。确实是这样的，工作后再拾起这本书，还是有许多的收获，我在看第二章MOS器件物理基础时，我在想，只从对器件物理方面来说，作为一个真正的模拟设计工程师，对于器件基础需要掌握到哪个程度呢。我觉得能掌握MOS管的电学特性，I-V特性，沟道长度调制效应，体效应，速度饱和效应，MOS的电容特性，那应该有60分，入门级别。能达到MOS Level 1 model，即Shichman-Hodges model. （想详细了解的可以看看这篇文章H. Shichman and D. A. Hodges. "Modeling and simulation of insulated-gate field-effect transistor switching circuits,"IEEE Journal of Solid-State Circuits,SC-3, 285, Sept. 1968.）的层次，应该能达到70分。因为这个模型需要你了解我们经常说的kp,Vth,un，cox, gamma, lambda,phi这些基本参数会对我们的MOS器件产生哪些影响。如果想得到80分，那你应该要到MOS Level 2 model的层次。还需要知道更多的短沟道效应，边缘电场的影响。100分吗，器件这东西“深不可测”。作为一个"Engineer" 80分足矣。

相信很多学模拟IC的人，都先学了器件物理，因此在学拉扎维第二章MOS器件的基础的时候，总想着这几个参数，开始设计第一个电路的时候，用的真实的PDK，都想找这几个参数是多少。那这些参数可以怎么找出来呢。我最近尝试着spectre的mos level1model去完成一个当年想完成的作业。也想通过对mos level 1的学习，补一补器件物理的知识。

首先介绍一下MOS Level 1 Spice Model。这个Model就是下面这张图里左边第一个人小拉的课程作业。不得不佩服啊，小拉随便的课程作业奠定了整个半导体EDA的基础。这个MOS Level 1 Spice Model的理论基础就是上面提到的Shichman-Hodges model。

小拉的第一版model只考虑了体效应，沟道长度调制效应，连亚阈值电学特性都没有。不过也是难为他了，毕竟这只是个课程作业。如果想更深入的了解小拉，可以看看他的粉丝给他做的library：http://ltwiki.org/index.php?title=LTspice_Genealogy_-_The_Heritage_of_Simulation_Ubiquity

好了终于交代完了背景，开始干活吧，最近装好IC617后，想去找个PDK，以前eetop里面各种PDK，现在都没有了，我只好用起大家常用的XXMS18这个工艺了。为了找到这几个参数。我尝试从xx018.scs文件找。好家伙，一看是这样的。我放弃了。pdk只提供了BSIM3V3 model，或者HSPICE 49.参数不要太多。工艺厂不提供MOS Level 1 model其实也是可以理解的，后面也会说到。

那直接看不行，那我只有自己做个MOS Level 1 model出来了。调节kp,Vth,un，cox, gamma, lambda,phi等这些参数，模拟一个XXMS18的normal nmos （3V）。做这样一个model还是很有收获的，不仅复习了器件物理还能知道我们手算和实际器件的gap。希望大家可以根据我做的这个MOS Level 1 model，尝试把XXMS18的其他的器件也做个MOS Level 1 model。这样我们可以用它来模拟我们手算的结果。这个用于spectre 的MOS Level 1 model也不难。下面就介绍下实现过程。

新建一个文本文件，Analog_World_nmos.scs。内容如下

新建testbench，如下图所示。M0为XXMS18工艺，M1为AnalogLib nmos4

M0,M1的设置如下，注意M1的Model name需要和Analog_World_nmos.scs对应。

ADE state的设置如下。我将参数都写成变量，这样可以方便我们sweep 变量，找到合适的变量值。

model library setup如下，将XXMC18和Analog_World_nmos.scs都加上。

然后就可以开始仿真了。

我在AED L中关于W，L，VGS,VDS的变量设置是有所考虑的，大家可以参考，那接下来就开始确定参数了。

Vth确定。很简单，直接做个DC仿真，print DC operating point,查看M0 Vth.
kp，DC仿真后，plot Ids-Vds波形，再进行parametric analysis kp，在线性区找到合适kp,kp=195u.

lambda，进行parametric analysis lambda，在饱和区找到合适lambda,lambda=5.5m.

gamma，体效应，VSB=0.5, DC Sweep VGS，plot Ids-Vgs波形。进行parametric analysis gamma，gamma=0.92.

MOS管电学特性参数完成first regression。接下来确定MOS 电容特性。

新建testben如下。

进行AC仿真，然后进行parametric analysis tox, phi。得到tox=6.6n, phi=0.9.

OK，所有参数调节完了后，我们来看看，用Level 1 Model能不能很好的来模拟呢。先看看IDS-VDS曲线吧，有点白忙活的意思啊，在大Vgs和Vds火这小Vgs的时候Level 1 Model与bsim model相差还是很大的。而且我这里用的还是10um的W和L。因为我们手算的方式其实就是Level 1的方式，所以在上面数的几种情况下，需要加个注意就好。

此外，回到开到为什么WL设置为10um呢，看看这个结果你就知道了，仿真了Length=1um-10um的IDS-VDS曲线（w=10um）。可以看到L在3um以下后，Level 1 Model开始不能很好的模拟bsim model。为什么呢，最大的问题可能是速度饱和效应，同样给大家一个概念，怎么确保不会发生速度饱和。横向电场强度大约在E=1V/um就开始起作用了，所以可以认为L需要大于5um。

最后做个总结。学完第二章的知识就可以看完整本模拟CMOS集成电路设计。但对于实际做芯片的工程师，我觉得还差点意思。为什么这么说呢，第二章的知识在1980年左右还是挺适用的（当时工艺还是4um），但对于现在的我们来说，Accuracy确实差了一点。所以需要我们注意这些短沟道效应带来的影响，在手算后，需要去看看有没可能会有这个问题。需要强调的是第二章的知识还是基础与根本，分析问题的方法还是没有问题的，而且在开始设计电路的时候，二级效应太多，反而对电路的intuition会差。对于一个“Engineer”not "Scientist"我觉得是完全没有问题的。最后如果大家相要这上面放置的testbench，可以关注我的知乎：AnalogWorld https://www.zhihu.com/people/xuan-xu-95-97