Модель транзистора - Transistor model

Транзисторы простые устройства со сложным поведением. Для обеспечения надежной работы схем на транзисторах необходимо: научная модель физические явления, наблюдаемые при их работе с использованием модели транзисторов. Существует множество различных модели различаются по сложности и назначению. Модели транзисторов делятся на две основные группы: модели для проектирования устройств и модели для проектирования схем.

Модели для конструкции устройства

Современный транзистор имеет внутреннюю структуру, в которой используются сложные физические механизмы. Дизайн устройства требует детального понимания того, как производственные процессы устройства, такие как ионная имплантация, диффузия примесей, рост оксида, отжиг, и травление повлиять на поведение устройства. Модели процессов смоделировать этапы производства и предоставить микроскопическое описание «геометрии» устройства симулятор устройства. «Геометрия» не означает легко идентифицируемые геометрические элементы, такие как плоская или круговая структура затвора, или приподнятые или утопленные формы истока и стока (см. Рисунок 1 для запоминающее устройство с некоторыми необычными проблемами моделирования, связанными с лавинной зарядкой плавающего затвора). Это также относится к деталям внутри структуры, таким как профили легирования после завершения обработки устройства.

Рисунок 1: Устройство памяти лавинного нагнетания с плавающим затвором FAMOS

Обладая этой информацией о том, как выглядит устройство, имитатор устройства моделирует физические процессы, происходящие в устройстве, чтобы определить его электрическое поведение в различных обстоятельствах: поведение постоянного тока по напряжению, переходное поведение (как при большом, так и при слабом сигнале). ), зависимости от компоновки устройства (длинный и узкий против короткого и широкого, или встречно-штыревой против прямоугольного, или изолированный по сравнению с другими устройствами). Это моделирование сообщает разработчику устройства, будет ли процесс устройства создавать устройства с электрическими характеристиками, необходимыми разработчику схем, и используется для информирования разработчика процесса о любых необходимых улучшениях процесса. Когда процесс приближается к производству, прогнозируемые характеристики устройства сравниваются с измерениями на испытательных устройствах, чтобы проверить, что модели процесса и устройства работают адекватно.

Хотя когда-то поведение устройства, моделируемое таким образом, было очень простым - в основном дрейф плюс диффузия в простых геометрических формах, - сегодня гораздо больше процессов необходимо моделировать на микроскопическом уровне; например, токи утечки в переходах и оксидах, сложный перенос носителей, включая насыщение скорости баллистический перенос, квантово-механические эффекты, использование нескольких материалов (например, Si-SiGe устройств и стеки разных диэлектрики ) и даже статистические эффекты из-за вероятностного характера размещения ионов и транспорта носителей внутри устройства. Несколько раз в год приходится повторять технологические изменения и моделирование. Модели могут потребовать изменения, чтобы отразить новые физические эффекты или обеспечить большую точность. Поддержание и улучшение этих моделей - дело само по себе.

Эти модели очень требовательны к компьютерам и включают подробные пространственные и временные решения связанных уравнений в частных производных на трехмерных сетках внутри устройства.[1][2][3][4][5]Такие модели работают медленно и содержат детали, которые не нужны для проектирования схем. Поэтому для проектирования схем используются более быстрые модели транзисторов, ориентированные на параметры схемы.

Модели для схемотехники

Модели на транзисторах используются практически во всех современных электронный дизайн работай. Аналоговая схема тренажеры Такие как СПЕЦИЯ использовать модели для прогнозирования поведения дизайна. Большая часть проектных работ связана с конструкции интегральных схем которые имеют очень большую стоимость инструмента, в первую очередь для фотошаблоны используется для создания устройств, и есть большой экономический стимул, чтобы конструкция работала без каких-либо итераций. Полные и точные модели позволяют большому проценту проектов работать с первого раза.

Современные схемы обычно очень сложные. Работоспособность таких схем трудно предсказать без точных компьютерных моделей, включая, помимо прочего, модели используемых устройств. В моделях устройств учтены эффекты компоновки транзисторов: ширина, длина, взаимное расположение контактов, близость к другим устройствам; переходный и постоянный ток вольт-амперные характеристики; емкость, сопротивление и индуктивность паразитного устройства; задержки во времени; и температурные эффекты; назвать несколько пунктов.[6]

Нелинейные модели больших сигналов

Нелинейный, или модели транзисторов с большим сигналом делятся на три основных типа:[7][8]

Физические модели

Это модели, основанные на физике устройства, основанный на приближенном моделировании физических явлений внутри транзистора. Параметры в этих моделях основаны на физических свойствах, таких как толщина оксида, концентрация легирования подложки, подвижность носителей и т. Д. В прошлом эти модели широко использовались, но сложность современных устройств делает их неадекватными для количественного проектирования. Тем не менее, они находят место в ручном анализе (то есть на концептуальной стадии проектирования схемы), например, для упрощенных оценок ограничений размаха сигнала.

Эмпирические модели

Этот тип модели полностью основан на подгонка кривой, используя любые функции и значения параметров, наиболее точно соответствующие измеренным данным для моделирования работы транзистора. В отличие от физической модели, параметры в эмпирической модели не обязательно должны иметь фундаментальную основу и будут зависеть от процедуры подбора, используемой для их нахождения. Процедура подбора является ключом к успеху этих моделей, если они будут использоваться для экстраполяции к планам, лежащим за пределами диапазона данных, к которому модели были первоначально подогнаны. Такая экстраполяция - надежда таких моделей, но пока полностью не реализована.

Линейные модели слабого сигнала

Слабый сигнал или же линейный модели используются для оценки стабильность, прирост, шум и пропускная способность как на концептуальных стадиях проектирования схем (чтобы выбрать между альтернативными конструктивными идеями до того, как будет оправдано компьютерное моделирование), так и при использовании компьютеров. Модель слабого сигнала генерируется путем взятия производных кривых вольт-амперной характеристики относительно точки смещения или Q-точка. Пока сигнал мал по сравнению с нелинейностью устройства, производные существенно не меняются и могут рассматриваться как стандартные элементы линейной схемы. Преимущество моделей малых сигналов заключается в том, что они могут быть решены напрямую, в то время как нелинейные модели больших сигналов обычно решаются итеративно с возможным конвергенция или стабильность вопросы. При упрощении до линейной модели становится доступным весь аппарат для решения линейных уравнений, например, одновременные уравнения, детерминанты, и матричная теория (часто учился в рамках линейная алгебра ), особенно Правило Крамера. Еще одно преимущество состоит в том, что о линейной модели легче думать, и она помогает организовать мысли.

Параметры слабого сигнала

Параметры транзистора отражают его электрические свойства. Инженеры используют параметры транзисторов при тестировании производственных линий и при проектировании схем. Группа параметров транзистора, достаточная для прогнозирования схемы прирост, Вход сопротивление, и вывод сопротивление компоненты в его модель слабого сигнала.

Ряд различных двухпортовая сеть наборы параметров могут использоваться для моделирования транзистора. К ним относятся:

Параметры рассеяния или S-параметры могут быть измерены для транзистора в заданной точке смещения с векторный анализатор цепей. Параметры S могут быть преобразован в другой набор параметров используя стандартные матричная алгебра операции.

Популярные модели

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Карло Якобони; Паоло Лугли (1989). Метод Монте-Карло для моделирования полупроводниковых устройств. Вена: Springer-Verlag. ISBN  3-211-82110-4.
  2. ^ Зигфрид Зельберхерр (1984). Анализ и моделирование полупроводниковых приборов. Вена: Springer-Verlag. ISBN  3-211-81800-6.
  3. ^ Тибор Грассер (редактор) (2003). Расширенное моделирование устройств и симуляция (Int. J. High Speed ​​Electron. And Systems). World Scientific. ISBN  981-238-607-6.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов (связь)
  4. ^ Крамер, Кевин М. и Хитчон, В. Николас Г. (1997). Полупроводниковые приборы: подход к моделированию. Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси: Prentice Hall PTR. ISBN  0-13-614330-X.
  5. ^ Драгица Василеска; Стивен Гудник (2006). Вычислительная электроника. Морган и Клейпул. п. .83. ISBN  1-59829-056-8.
  6. ^ Карлос Галуп-Монторо; Мерсио С. Шнайдер (2007). Моделирование Mosfet для анализа и проектирования схем. World Scientific. ISBN  981-256-810-7.
  7. ^ Нараин Арора (2007). Моделирование Mosfet для моделирования СБИС: теория и практика. World Scientific. Глава 1. ISBN  981-256-862-Х.
  8. ^ Яннис Цивидис (1999). Операционное моделирование МОП-транзистора (Второе изд.). Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. ISBN  0-07-065523-5.

внешняя ссылка