SIMULA

1
SIMULAÇÃO DE CIRCUITOS
Modelos de Simulações - SPICE E BSIM Leandro
Manera e Jacobus W. Swart
2
APRESENTAÇÃO DOS MODELOS SPICE DE SIMULAÇÃO DE
CIRCUITOS
1 - Tipos de modelos usados em simulações de
circuitos
2 - Equações dos modelos e seus respectivos
parâmetros
3 - Simulações de circuitos utilizando os modelos
descritos
4 - Porta lógicas
3
1 - Nomes dos modelos
Existem sete tipos de modelos de dispositivos
MOSFET. Portanto, dependendo da precisão
desejada, temos
Level 1 - Shichman-Hodges model ou MOS1
Level 2- Geometry based - analytic model ou MOS2
Level 3- Semi-empirical, short channel model ou
MOS3
Level 4 - BSIM model
Level 5 - EKV model (version 2.6)
Level 6 - BSIM3 model (version 2)
Level 7 - BSIM3 model (version 3.1)
Convém dizer que existem muitos outros tipos de
modelos de dispositivos MOSFET, como exemplo
podemos citar os modelos do simulador Hspice(
Avant!), Spectre (Cadence) Eldo (Mentor Graphics)
e outros. Esses modelos por sua vez são muito
parecidos, alguma mudança pode ser notada apenas
nos nomes dos parâmetros utilizado pelos
modelos.
4
Modelos SPICE e BSIM
Spice desenvolvido na Universidade da
Califórnia em Berkeley. Tem sido o mais utilizado
no projeto de circuitos MOS com ótimos
resultados. Simulation Program with Integrated
Circuit Emphasis
Com a diminuição das dimensões dos dispositivos
se faz necessário o uso do BSIM, que considera
efeitos de mecanismos físicos antes desprezados.
BSIM Berkeley Short channel IGFET Model
5
2 - Equações dos Modelos e Parâmetros de simulação
2.1 - Equações do modelo Spice nível 1
As equações usadas para o nível 1 do modelo de um
transistor MOS em SPICE são
Na região linear
Para Vgs gt Vt e Vds lt Vgs - Vt
Vt0 é tensão de limiar para Vbs0
Na região de Saturação
Para Vgs gt Vt e Vds gt Vgs - Vt
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2.1.1 - Parâmetros do modelo Spice nível 1
SIMBOLO SPICE
DESCRIÇÃO UNIDADES
Vt para vbs0 Transcondutância
Efeito de corpo Potencial de
superfície em inversão Modulação de
canal Espessura de Óxido Dopagem de
Substrato Difusão lateral Mobilidade de
superfície Expoente Flicker noise Coeficiente
Flicker noise
V A/V2
V1/2 V V-1 m cm-3 m cm2/V.s -- --
VTO KP GAMMA PHI LAMBDA TOX NSUB LD UO AF KF
Vt KP ? 2?f ? tox Nb Xjl ?o Af Kf
Parâmetros de efeitos parasitários
Corrente de Saturação de Junção Densidade de
Corrente de Saturação de Junção
Potencial de junção Capacitância
por área para Vbs0 Coeficiente de graduação da
junção Capacitância de perímetro por metro para
Vbs0 Coeficiente de graduação da junção no
perímetro Coeficiente de junção polarizada
diretamente Capacitância entre Porta e
corpo Capacitância entre Porta e
Dreno Capacitância entre Porta e
Fonte Resistência do Dreno Resistência da
Fonte Resistência de folha de Fonte e Dreno
A A/m2 V
F/m2 -- F/m -- -- F/m F/m F/m ? ? ?
Is Js ?J Cj Mj Cjsw Mjsw FC Ccbo Cgdo Cgso Rd Rs
Rsh
IS JS PB CJ MJ CJSW MJSW FC CGBO CGDO CGSO RD RS
RSH
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2.2 - Equações do modelo Spice nível 2
As equações usadas para o nível 2 do modelo de um
transistor MOS em SPICE são
Na região linear
A tensão de limiar pode ser calculada a partir
dos parâmetros físicos através da equação
onde
Na região de Saturação
ID,sat é calculado na expressão acima (IDS na
região linear) fazendo VdsVd,sat
Na região de Inversão fraca
Cd Capacitância de depleção
Efeito da redução da mobilidade com o aumento de
Vg
IonIds em inversão forte, para VgsVon
O termo em parêntesis é limitado a1
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2.2.1 - Parâmetros do modelo Spice nível 2
SIMBOLO SPICE DESCRIÇÃO
UNIDADES
V A/V2
V1/2 V V-1 m cm-3 cm-2 cm-2 -- m m
-- cm2/V.s V/cm -- -- m/s --
-- -- --
Vt para vbs0 Transcondutância
Efeito de corpo Potencial de
superfície em inversão Modulação de
canal Espessura de Óxido Dopagem de
Substrato Densidade de estados de
superfície Densidade de estados rápidos de
superfície Coeficiente de carga total de
depleção Profundidade da junção metalúrgica
Difusão lateral Tipo do material do
gate Mobilidade Campo elétrico crítico para
mobilidade Coeficiente exponencial para
mobilidade Coeficiente do campo transverso Máxima
velocidade de deriva de portadores Fração de
carga no canal atribuída ao dreno Efeito da
largura na tensão de limiar Expoente Flicker
noise Coeficiente Flicker noise
VTO KP GAMMA PHI LAMBDA TOX NSUB NSS NFS NEFF XJ
LD TPG UO UCRIT UEXP UTRA VMAX XQC DELTA AF KF
Vt KP ? 2?f ? tox Nb Nss Nfs Neff Xj Xjl Tpg
?o Uc Ue Ut vmax Xqc ? Af Kf
Parâmetros de efeitos parasitários São os
mesmos para os 3 primeiros níveis
1 oposto ao substrato TPG - 1
o mesmo do substrato 0 alumínio
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2.3 - Equações do modelo Spice nível 3
As equações usadas para o nível 3 do modelo de um
transistor MOS em SPICE são
Na região linear
Efeito de canal curto (W)
? representa empiricamente a dependência de Vt
com Vds
? - parâmetro ETA
No caso de não informar o valor de Kp
É usado o mesmo modelo do nível 2 para inversão
fraca
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2.3.1 - Parâmetros do modelo Spice nível 3
SIMBOLO SPICE DESCRIÇÃO
UNIDADES
V A/V2
V1/2 V V-1 m cm-3 cm-2 cm-2 m m -- cm2/V.s m/s
-- -- -- V-1 -- --
Vt para vbs0 Transcondutância
Efeito de corpo Potencial de
superfície em inversão Modulação de
canal Espessura de Óxido Dopagem de
Substrato Densidade de estados de
superfície Densidade de estados rápidos de
superfície Profundidade da junção metalúrgica
Difusão lateral Tipo do material do
gate Mobilidade Máxima velocidade de deriva de
portadores Fração de carga no canal atribuída ao
dreno Efeito da largura na tensão de
limiar Efeito de Vd sobre Vt Modulação da
mobilidade Vg Flicker noise expoente Flicker
noise coeficiente
VTO KP GAMMA PHI LAMBDA TOX NSUB NSS NFS XJ LD T
PG UO VMAX XQC DELTA ETA THETA AF KF
Vt KP ? 2?f ? tox Nb Nss Nfs Xj Xjl Tpg
?o vmax Xqc ? ? ? Af Kf
Parâmetros de efeitos parasitários São os
mesmos para os 3 primeiros níveis
1 oposto ao substrato TPG - 1
o mesmo do substrato 0 alumínio
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2.4 - Equações do modelo BSIM (nível 4)
O modelo BSIM1 foi desenvolvido para tecnologia
de 1um.
Ids na região Linear
e
Equação da tensão de limiar
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2.4.1 - Parâmetros do modelo BSIM
BSIM DESCRIÇÃO UNIDADES
Encurtamento do canal Estreitamento do canal
Coeficiente
DIBL Coeficiente de efeito de corpo Coeficiente
de divisão da carga de depleção entre
S/D Mobilidade com Vbs0 e VdsVdd Mobilidade sem
polarização Coeficiente de inclinação de
corrente sublimiar com polarizações
nulas Inclinação da região de sublimiar com
polarização do substrato Inclinação da região de
sublimiar com polarização do dreno Potencial de
superfície em inversão Temperatura na qual foi
realizada a medida Espessura de óxido Degradação
da mobilidade com campo transverso Velocidade de
saturação em polarização nula Faixa de tensão de
polarização Tensão de bandas planas Largura da
junção de dreno e fonte Efeito DIBL a
polarização de substrato Mobilidade no substrato
em Vds0 Mobilidade no substrato em
Vds0 Sensibilidade de degradação da mobilidade
com Vbs Efeito da velocidade de saturação com a
polarização no substrato Efeito DIBL com a
polarização de dreno Sensibilidade da mobilidade
com Vds em Vdd Sensibilidade da velocidade de
saturação com Vds Flag de modelos de
capacitância
um um --
V1/2 -- cm2/V.s cm2/V.s -- --
-- V ?C um V-1 um/V V V m V-1 cm2/V.s cm2/V.s V-2
um/ V2 V-1 cm2/V.s um/ V2 --
DL DW ETA K1 K2 MUS MUZ NO NB ND PHI TEMP TOX U0
U1 VDD VFB WDF X2E X2MS X2MZ X2UO X2U1 X3E X3MS X3
U1 XPART
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2.5.1 - Parâmetros do modelo EKV
EKV DESCRIÇÃO UNIDADES
COX XJ DW DL HDIF VTO GAMMA PHI KP E0 UCRIT LAMBD
A WETA LETA IBA IBB IBN TCV BEX UCEX IBBT AVTO AKP
AGAMMA RBC RBSH RDC RGC RGSH RSC
NSUB THETA TOX UO VFB VMAX
Capcacitância do óxido de gate profundidade de
junção Correção da
largura do canal Correção do comprimento do
canal Comprimento da área de difusão do gate
fortemente dopado Tensão de limiar Efeito de
corpo Potencial de superfície Transcondutância Coe
ficiente de redução da mobilidade Campo
critico Modulação de canal Coeficiente de canal
curto (W) Coeficiente de canal curto
(L) Coeficiente de ionização por impacto
(1) Coeficiente de ionização por impacto
(2) Fator da tensão de saturação para ionização
por impacto Coeficiente de temperatura para
tensão de limiar Expoente da temperatura da
mobilidade Expoente da temperatura de campo
critico Coeficiente de temperatura para IBB Área
relacionada ao coef. de temperatura da tensão de
limiar?? Parâmetro de área relacionada ao
ganho Parâmetro de área relacionada ao efeito de
corpo Efeito da velocidade de saturação com a
polarização no substrato Resistência de contato
(corpo) Resistência de folha (corpo) Resistência
de contato (dreno) Resistência de contato (gate)
Resistência de folha (gate) Dopagem no
canal Coeficiente da redução de
mobilidade Espessura de óxido Tensão de bandas
planas Velocidade de saturação
F/m m m
m m V V1/2 V A/ V2 V/m V/m -- -- -- 1/m V/m
-- V/K -- -- 1/K V.m m V1/2.m ohm ohm/? ohm ohm
ohm/ ? ohm m V-1 m cm/V.s V m/s
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2.7 - Equações do modelo BSIM3v3 (nível 7)
Expressão da corrente de Dreno
vt potencial térmico
Abulk - bulk charge effect
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2.7.1 - Parâmetros do modelo BSIM3v3
Ao total são 154 parâmetros
BSIM DESCRIÇÃO UNIDADES
Mobilidade à temperaturaTnom Coeficiente de
degradação da mobilidade (1)
Coeficiente de degradação da mobilidade (2)
Velocidade de saturação Coeficiente de
efeito de corpo (L) Coeficiente de efeito de
corpo (W) Coeficiente de efeito de corpo
relacionado à polarização Resistência Parasitária
por unidade de largura Fator da inclinação na
região de sublimiar Coeficiente do efeito DIBL
na região de sublimiar Coeficiente de polarização
de corpo para o efeito DIBL (sublimiar) Parâmetro
de modulação de canal Parâmetro de correção da
resistência de saída para o efeito
DIBL Coeficiente da dependência de L no efeito
DIBL Parâmetro da corrente induzida pelo
substrato no efeito de corpo Dependência do gate
na tensão de Early Parâmetro da tensão efetiva de
dreno (Vdseff) Concentração da dopagem do gate de
polisilício Expoente do coeficiente do efeito
DIBL na região de sublimiar Capacitância de
interface Tensão de bandas planas Tensão de
limiar Coeficiente de efeito de corpo (1
ordem) Coeficiente de efeito de corpo (2
ordem) Coeficiente de efeito de corpo (3
ordem) Coeficiente do efeito de canal curto na
tensão de limiar Espessura do óxido de
gate Profundidade de junção Coeficiente do efeito
de corpo próximo à interface Coeficiente do
efeito de corpo no corpo Profundidade de
dopagem Tensão de Vbs ao qual a região de
depleção é igual a XT Dopagem do substrato
UO UA UB Vsat A0 B0 KETA RDSW NFACTOR ETA0 ETAB P
CLM PDIBLC DROUT PSCBE PVAG DELTA NGATE DSUB CIT
VFB VT K1 K2 K3 DVT0 TOX XJ GAMMA1 GAMMA2
XT VBX NSUB
cm/V.s m/V m/V
m/sec -- m 1/V ohm.um -- -- 1/V -- --
-- V/m -- V cm-3 -- F/ m2 V V V1/2 -- --
-- m m V1/2 V1/2 m V 1/cm-3
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3 - Simulações de circuitos utilizando os modelos
3.1 - Nível 1 (MOS1)
a) Curva característica
Parâmetros do Transistor simulado
b) Vt
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Curva característica para 2 tipos de espessura de
óxido, simulado com o dispositivo anterior
Esquemático utilizado no simulador para a
obtenção da curva característica
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3 - Simulações
3.2 - Nível 2 (MOS2)
Comparação entre curvas característica simuladas
para o mesmo dispositivo em dois níveis diferentes
Parâmetros do Transistor simulado
Variação de Ids com KP
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3.2 - Nível 2
Curvas logarítmica e linear , simuladas com o
modelo do nível 2
Variação do Log de ID com NFS
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3 - Simulações
3.3 - Nível 3 (MOS3)
Parâmetros do Transistor simulado
Variação de Ids com ? simulada com o modelo do
SPICE nível 3
21
3.3 - Nível 3 (MOS3)
Variação de Vt com ? simulada com o modelo do
SPICE nível 3
Esquemático utilizado no simulador para a
obtenção da curva de Vt
Com 50mV aplicado ao dreno, variando a tensão de
gate e tendo Vbs como parâmetro
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3 - Simulações
3.3 - Nível 3 (MOS3)
Variação de Id com o parâmetro ETA
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3 - Simulações
Comparação entre o nivel 2 e o nivel 4, para o
mesmo dispositivo
3.4 - Nível 4 (BSIM)
Vds50mv
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3 - Simulações
3.4 - Nível 4 (BSIM)
25
3 - Simulações
3.5 - Nível 5 (EKV)
Curva características de um dispositivo de
pequenas dimensões, com tensão aplicada no dreno
de até 5V.
Mesmo dispositivo acima, mas agora com apenas 3V
aplicado no dreno
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3 - Simulações
3.5 - Nível 5 (EKV)
Vbs0 Vbs-1 Vbs-2 Vbs-3 Vbs-4
Vbs0 Vbs-2 Vbs-4
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3 - Simulações
3.7 - Nível 7 (BSIM3v3)
Variação Id com velocidade de saturação
Vt
28
3 - Simulações
3.7 - Nível 7 (BSIM3v3)
Gráfico log de Ids, para o nível 7
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4- PORTA LÓGICAS MOS
E 0 1
S 1 0
A) nmos, carga tipo depleção
a) Inversor
Ve ? Vt
VsV1Vdd
I0
Onde VeVdd
Ex
30
E2 0 1 0 1
S 1 0 0 0
E1 0 0 1 1
b) NOR
E1
SE1E2
E2
Usar o mesmo ?r do inversor
31
c) NAND
E2 0 1 0 1
S 1 1 1 0
E1 0 0 1 1
E1
SE1.E2
E2
Usar o ?r2?r inversor para obter o mesmo V0
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B) CMOS
a) Inversor

V1 Vdd V0 0
?Independente de ?r
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A curva de transferência será simétrica se ?n
?p onde ? (W/L).?.Co como ?n ? 3?p ? (W/L)p
? (W/L)n ? A(pMOS) gt A(nMOS) ? Há compromisso
entre integração (Área) e simetria da curva de
transferência
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b) NOR
E2 0 1 0 1
S 1 0 0 0
E1 0 0 1 1
Com portas inversoras, NOR, NAND podemos fazer
qualquer função lógica. Porém, outras portas
permitem reduzir o número total de transistores
c) NAND
E2 0 1 0 1
S 1 1 1 0
E1 0 0 1 1
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Layout de uma porta NOR CMOS
Layout de uma porta NAND CMOS
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C) Superportas ou SCCG
Com inversores, nands e nors, podemos implementar
qualquer equação lógica, ou seja, poderíamos
implementar qualquer circuito digital utilizando
estas três portas lógicas. Porém para obtermos um
circuito otimizado, através da redução no número
de transistores necessários, podemos utilizar
portas lógicas que implementam funções mais
complexas do que as 3 representadas acima. Estas
portas lógicas são chamadas de superportas ou
SCCG (Static Cmos Complex Gates) e são obtidas
por uma associação série/paralelo de
transistores. Na figura 4.20 são representados os
esquemas elétricos de uma superporta que
implementa a função SA.B C.(D.E). Por motivos
de desempenho elétrico, normalmente não é
ultrapassado o limite de 4 transistores em série,
o que já permite realizar mais de mil funções
diferentes. Na síntese automática do layout
pode-se explorar a síntese de funções SCCGs. As
superportas que apresentam dois níveis um AND e
um OR ou vice-versa são conhecidas
respectivamente por AOI e OAI (fig. 4.21)
SA.BC.(D.E)
Figura 4.20 Esquemas lógico e elétrico de uma
superporta (SCCG)
Figura 4.21 - Representação de uma superporta
(exemplo para uma OAI e uma AOI)
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D) Chaves de passagem
Vc
a) nmos
E
F
..Vdd
Vc
..0
..Vdd
VE
..0
VF
Vdd- Vt
..0
Quando VcVdd e VE Vdd ? VE tende a VE porém
o transistor está em saturação
? Quando VCFVT ? I0 ? VFVDD-VT
?VF será menor que VEVE-VT !
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b) Chave CMOS
Esta resolve o problema da chave nMOS, pois, com
a chave fechada, um dos transistores está em
triodo e o outro em saturação
Com transistor em triodo VFVE
Figura 4.22 - Porta de passagem CMOS e símbolos
usuais (Trasmission Gate)
Mutiplexadores CMOS
Figura 4.2.3 - Multiplexador de 2 entradas com
buffer de saída
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Portas XOR (OU exclusivo)
Uma célula lógica correspondente a uma função
lógica XOR, ou seja, OR exclusivo, onde a saída S
é igual a 1 quando apenas uma das entradas A ou B
for igual a 1. Quando ambas as entradas forem
iguais a 0, ou iguais a 1, teremos que a saída S
recebe o valor 0. Na figura 4.24 é apresentado
um conjunto de portas lógicas que implementam uma
função XNOR, ou seja, quando apenas uma das
entradas for 1, a saída apresentará o valor
inverso, isto é, um zero lógico.
B 0 1 0 1
S 1 0 0 1
A 0 0 1 1
S A?B
Figura 4.24 - Conjunto de portas lógicas que
implementam uma função XNOR
B 0 1 0 1
S 0 1 1 0
A 0 0 1 1
Figura 4.25 - Porta XOR implementada com chaves
A solução composta por portas lógicas apresentada
na figura 4.24 é composta de 10
transistores, enquanto que a solução com chaves é
composta de 4 transistores, que passará a 6
transistores se colocarmos um inversor na saída
formando um XNOR.
40
Referências
1- Semiconductor Device Modeling with Spice
(Paolo Antognetti Giuseppe Massobrio) 2- CMOS -
circuit design, layout and simulation (R. Jacob
Baker, Harry W. Li, David Boyce) 3 - Mosfet
Modeling Bsim users guide (Yuhua Cheng,
Chenming Hu) 4- Operation and Modeling of the Mos
Transistor (Yannis Tsividis) 5- Orcads manual 6-
IEEE - Transactions on Electron Devices n9 -
September 1983 (1219-1228)
Site na Internet Contém vários modelos de
simulação de circuitos http//sc.tamu.edu/help/hsp
ice/html_doc/manual/hspice-128.html
F I M