home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Liren Large Software Subsidy 13 / 13.iso / p / p105 / 1.ddi / MOSFET.DOC < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1989-01-23  |  7.8 KB  |  192 lines
  1.                    Modeling the MOS Transistor
  2.                         for Micro-Cap III
  3.              (c) copyright Spectrum Software 1988-89
  4.                           January 1989
  5.  
  6. Input parameters for the MOSFET model:
  7.  
  8. KP        Process transconductance (A/V^2).
  9. VTO       Zero-bias threshold voltage (volts).
  10. CGDO      Gate-drain overlap capacitance (F/m).
  11. CGSO      Gate-source overlap capacitance (F/m).
  12. CGBO      Gate-bulk overlap capacitance (F/m).
  13. RD        Drain resistance (ohms).
  14. RS        Source resistance (ohms).
  15. L         Channel length (meter).
  16. W         Channel width (meter).
  17. AD        Drain diffusion area (m^2).
  18. AS        Source diffusion area (m^2).
  19. PD        Drain diffusion perimeter (m).
  20. PS        Source diffusion perimeter (m).
  21. NRD       Number drain squares. 
  22. NRS       Number source squares.
  23. GAMMA     Body-effect coefficient.
  24. LAMBDA    Channel-length modulation (1/V).
  25. PHI       Surface inversion potential (volts).
  26. IS        Bulk-junction saturation current (Amperes).
  27. PB        Bulk-junction built-in potential (volts).
  28. RSH       Source and drain sheet resistance (ohms).
  29. CJ        Zero-bias bulk capacitance (F/m^2).
  30. MJ        Bulk-junction grading coefficient.
  31. CJSW      Zero-bias bulk capacitance (F/m^2).
  32. MJSW      Perimeter capacitance grading coefficient.
  33. JS        Bulk-junction saturation current /sq. m (A/m^2).
  34. TOX       Thin oxide thickness (m).
  35. NSUB      Substrate doping (1/cm^3).
  36. NSS       Surface state density (1/cm^2).
  37. NFS       Surface-fast state density (1/cm^2).
  38. XJ        Metallurgical junction depth (m).
  39. LD        Lateral diffusion (m).
  40. UO        Surface mobility (cm^2/V*s).
  41. VMAX      Maximum drift velocity of carriers (m/sec.).
  42. DELTA     Width effect on threshold voltage
  43. THETA     Mobility modulation
  44. ETA       Static feedback on threshold voltage
  45. KAPPA     Saturation field factor
  46. KF        Flicker-noise coefficient
  47. AF        Flicker-noise exponent
  48. FC        Coefficient for forward-bias depletion capacitance
  49.           formula.
  50. TPG       Type of gate material.
  51. XQC       Coefficient of channel charge share.
  52.  
  53. CGD       Fixed gate-drain overlap capacitance (LEVEL 0)
  54. CGS       Fixed gate-source overlap capacitance (LEVEL 0)
  55. CGD       Fixed drain-bulk capacitance (LEVEL 0)
  56.  
  57. Three levels of the MOSFET model are supported by Micro-Cap III.
  58. They are: LEVEL 0, LEVEL 1 and LEVEL 3.  LEVEL 0 is the same
  59. model used in Micro-Cap II.  This model is similar to the
  60. Shichman and Hodges model except the capacitances (CGD, CGS and
  61. CGD) are constant.  LEVEL 1 and LEVEL 3 are the standard models
  62. found in most SPICE programs.
  63.  
  64. LEVEL 0 is ideal for fast simulation since the capacitances do
  65. not change with respect to their terminal voltages.
  66.  
  67. LEVEL 1 is ideal for calculations by hand.  It also provides a
  68. quick way of running a simulation for the first time to see the
  69. response of the circuit under design.  If the channel length of
  70. the device is long, LEVEL 1 would be an ideal model.
  71.  
  72. LEVEL 3 accounts for short channel and narrow channel effects. 
  73. It provides greater accuracy.  However, some of the parameters
  74. cannot be obtained directly from databooks.  These parameters
  75. are either process parameters or they require measurements and
  76. curve-fitting of the data points.
  77.  
  78. The following parameters can be obtained easily from databooks:
  79.  
  80. *  Zero-bias threshold voltage (VTO):  To extract this parameter,
  81. two sets of data points are needed.  They are labeled as:
  82. Ids1(VTO), Vgs1(VTO), Ids2(VTO), Vgs2(VTO) in PEP.  These points
  83. are taken from the Output Characteristics curves given in
  84. databooks.  Vgs2 must be greater than Vgs1 and Ids2 is greater
  85. than Ids1.
  86.  
  87. *  Channel length modulation (LAMBDA):  LAMBDA is computed in the
  88. saturation region of the I-V curves.  Two sets of data points are
  89. needed for this estimate.  They are: Vds1(LAMBDA), Ids1(LAMBDA),
  90. Vds2(LAMBDA) and Ids2(LAMBDA) in PEP.  Vds2 should be much greater
  91. than Vds1 and Ids2 is slightly greater than Ids1.
  92.  
  93. *  Source Ohmic Resistance (RS):  The value of RS can be estimated
  94. from two sets of data points on the Ids vd Vds graph. These data
  95. points are taken in the saturation region.  The following must hold
  96. in order to obtain a fairly accurate result for RS:
  97.  
  98.     Vgs2 must be much larger than Vgs1.
  99.     Ids2 must also be larger than Ids1.
  100.  
  101. The value computed should not be large, otherwise, it will limit
  102. the drain current tremendously. A small value should be expected
  103. from this estimate.  If you are unable to obtain good data from
  104. this procedure set RS to 0 ohms.
  105.  
  106.  
  107.  
  108. *  Drain Ohmic Resistance (RD):  This value is estimated at small
  109. Vds.  That is, RD is computed using data points in the linear
  110. region of the I-V curves.  Again, a small value of RD should be
  111. expected.  The parameters needed are: Ids(RD), Vgs(RD) and
  112. Vds(RD).  Note that Beta should be computed first prior to
  113. estimating RD.  Refer to the following paragraph for computing
  114. Beta.
  115.  
  116. Beta is computed in the saturation region of the I-V curve.
  117.  
  118. Ids = Beta * (Vgs - Vt)^2
  119.  
  120. *  Process Transconductance (KP):  KP is computed from a single
  121. set of data points on the I-V curves.  The parameters used in PEP
  122. are Ids(KP) and Vgs(KP).  Assuming the ratio of W/L is one, KP
  123. can be estimated from the drain current equation in the saturated
  124. region.  PEP uses a default value of 100 um for both the width and
  125. the length.  You can use W and L to scale your your drain current.
  126. It is recommended that you estimate KP at the operating Vgs value.
  127.  
  128. *  Body effect coefficient (GAMMA):  The equation used in
  129. computing GAMMA is as follows:
  130.  
  131. GAMMA = (Vth2 - Vth1) / (SQR(PHI-Vbs2) - SQR(PHI-Vbs1))
  132.  
  133. Setting Vbs1 to 0 volts will yield Vth1 = VTO.
  134.  
  135. The two parameters needed by PEP to compute GAMMA are Vth2 and
  136. Vbs2.  In addition, PHI must be computed first prior to this
  137. estimation.
  138.  
  139. Notes:
  140. ------
  141. Crss defined in databooks is equivalent to Cgd used in the MOSFET
  142. model.  The input capacitance is equal to the sum of Cgs and Cgd. 
  143. Using this approach, you can estimate the value of Cgs since Ciss
  144. is usually given in databooks.
  145.  
  146. Many of the LEVEL 3 model parameters are not described here. 
  147. Most of them require either process parameters or curve-fit data. 
  148. The objective of this doc file is to show our users a simple and
  149. straight forward way of estimating the important data needed to
  150. model a MOSFET.
  151.  
  152.  
  153.          MOSFET Model parameters estimation flow chart:
  154.  
  155.                            Compute VTO
  156.            Ids1(VTO), Vgs1(VTO), Ids2(VTO), Vgs2(VTO)
  157.                                 |
  158.                       Enter channel length
  159.                         Default is 100 um
  160.                                 |
  161.                        Enter channel width
  162.                         Default is 100 um
  163.                                 |
  164.                   Enter lateral diffusion (LD)
  165.                           Default is 0
  166.                                 |
  167.                    Compute KP assuming W/L=1.0
  168.                         Ids(KP), Vgs(KP)
  169.                                 |
  170.                          Compute LAMBDA
  171.      Vds1(LAMBDA), Ids1(LAMBDA), Vds2(LAMBDA), Ids2(LAMBDA)
  172.                                 |
  173.                           Compute GAMMA
  174.                     Vth2(GAMMA), Vgs2(GAMMA)
  175.                                 |
  176.                     Compute RS (Vgs2 >> Vgs1)
  177.              Vgs1(RS), Ids1(RS), Vgs2(RS), Ids2(RS)
  178.                                 |
  179.                            Compute RD
  180.                     Ids(RD), Vgs(RD), Vds(RD)
  181.                                 |
  182.                             Enter CGD
  183.                            CGD = Crss
  184.                                 |
  185.                             Enter CGS
  186.                            Crss, Ciss
  187.  
  188.  
  189. Following the above computations of the above parameters, enter
  190. any other parameters (either process or electrical) directly into
  191. the PEP program or directly in the Micro-cap III library.
  192.