Транзисторная модель
 | Эта статья включает список общих ссылок , но в ней отсутствуют достаточные соответствующие встроенные цитаты . ( январь 2015 г. ) |
Транзисторы — простые устройства со сложным поведением. [ нужна ссылка ] . Чтобы обеспечить надежную работу схем на транзисторах, необходимо научно моделировать физические явления, наблюдаемые при их работе с помощью моделей транзисторов . Существует множество различных моделей , различающихся по сложности и назначению. Модели транзисторов делятся на две основные группы: модели для проектирования устройств и модели для проектирования схем.
Модели для проектирования устройств
[ редактировать ]Современный транзистор имеет внутреннюю структуру, в которой используются сложные физические механизмы. Проектирование устройства требует детального понимания того, как процессы производства устройств, такие как ионная имплантация , диффузия примесей , рост оксидов , отжиг и травление , влияют на поведение устройства. Модели процессов имитируют этапы производства и предоставляют симулятору устройства микроскопическое описание «геометрии» устройства . «Геометрия» не означает легко идентифицируемые геометрические особенности, такие как плоская или охватывающая структура затвора, а также приподнятые или утопленные формы истока и стока (см. рисунок 1, где показано запоминающее устройство с некоторыми необычными проблемами моделирования, связанными с зарядкой плавающего затвора путем лавинный процесс). Это также относится к деталям внутри структуры, таким как профили легирования после завершения обработки устройства.
Имея эту информацию о том, как выглядит устройство, симулятор устройства моделирует физические процессы, происходящие в устройстве, чтобы определить его электрическое поведение в различных обстоятельствах: поведение постоянного тока в напряжении, переходное поведение (как при сильном, так и при малом сигнале). ), в зависимости от расположения устройства (длинное и узкое или короткое и широкое, встречно-штыревое или прямоугольное, изолированное или расположенное рядом с другими устройствами). Эти симуляции сообщают разработчику устройства, будет ли процесс устройства создавать устройства с электрическим поведением, необходимым разработчику схемы, и используются для информирования разработчика процесса о любых необходимых улучшениях процесса. Как только процесс приближается к производству, прогнозируемые характеристики устройства сравниваются с измерениями на тестовых устройствах, чтобы убедиться, что процесс и модели устройств работают адекватно.
Хотя раньше поведение устройства, смоделированное таким образом, было очень простым – в основном дрейф плюс диффузия в простой геометрии – сегодня гораздо больше процессов необходимо моделировать на микроскопическом уровне; например, токи утечки [1] в соединениях и оксидах, сложный транспорт носителей, включая скоростное насыщение и баллистический транспорт, квантово-механические эффекты, использование нескольких материалов (например, устройств Si-SiGe и стопок различных диэлектриков ) и даже статистические эффекты из-за вероятностного характера размещение ионов и транспорт носителей внутри устройства. Несколько раз в год технологические изменения и моделирование приходится повторять. Модели могут потребовать изменений, чтобы отразить новые физические эффекты или обеспечить большую точность. Обслуживание и улучшение этих моделей — это отдельный бизнес.
Эти модели очень требовательны к компьютеру и включают подробные пространственные и временные решения связанных уравнений в частных производных на трехмерных сетках внутри устройства. [2] [3] [4] [5] [6] Такие модели работают медленно и предоставляют детали, не необходимые для проектирования схем. Поэтому для проектирования схем используются более быстрые модели транзисторов, ориентированные на параметры схемы.
Модели для схемотехники
[ редактировать ]Транзисторные модели используются практически во всех современных электронных разработках . аналоговых схем, Симуляторы такие как SPICE, используют модели для прогнозирования поведения конструкции. Большая часть проектных работ связана с проектированием интегральных схем , которые требуют очень больших затрат на инструменты, в первую очередь фотошаблоны , используемые для создания устройств, и существует большой экономический стимул заставить проект работать без каких-либо итераций. Полные и точные модели позволяют большому проценту проектов работать с первого раза.
Современные схемы обычно очень сложны. Работоспособность таких схем трудно предсказать без точных компьютерных моделей, включая, помимо прочего, модели используемых устройств. В моделях устройств учитываются эффекты компоновки транзисторов: ширина, длина, взаимное расположение, близость к другим устройствам; переходные и вольт -амперные характеристики постоянного тока ; паразитная емкость, сопротивление и индуктивность устройства; временные задержки; и температурные воздействия; назвать несколько предметов. [7]
Нелинейные модели с большим сигналом
[ редактировать ]Нелинейные модели транзисторов с большим сигналом делятся на три основных типа: [8] [9]
Физические модели
[ редактировать ]- Это модели, основанные на физике устройств , основанные на приблизительном моделировании физических явлений внутри транзистора. [1] [10] Параметры [11] [12] в этих моделях основаны на физических свойствах, таких как толщина оксида, концентрация легирования подложки, подвижность носителей и т. д. [13] В прошлом эти модели широко использовались, но сложность современных устройств делает их непригодными для количественного проектирования. Тем не менее, они находят место при ручном анализе (то есть на концептуальном этапе проектирования схем), например, для упрощенных оценок ограничений размаха сигнала.
Эмпирические модели
[ редактировать ]- Этот тип модели полностью основан на подборе кривой с использованием функций и значений параметров, которые наиболее адекватно соответствуют измеренным данным, что позволяет моделировать работу транзистора. В отличие от физической модели, параметры эмпирической модели не обязательно должны иметь фундаментальную основу и будут зависеть от процедуры подгонки, используемой для их поиска. Процедура подгонки является ключом к успеху этих моделей, если их необходимо использовать для экстраполяции на проекты, лежащие за пределами диапазона данных, к которым модели были первоначально подогнаны. Такая экстраполяция является надеждой таких моделей, но пока полностью не реализована.
Линейные модели со слабым сигналом
[ редактировать ]Слабосигнальные или линейные модели используются для оценки стабильности , усиления , шума и полосы пропускания как на концептуальных стадиях проектирования схем (чтобы сделать выбор между альтернативными проектными идеями до того, как потребуется компьютерное моделирование), так и с использованием компьютеров. Модель слабого сигнала создается путем взятия производных кривых тока-напряжения относительно точки смещения или Q-точки . Пока сигнал мал по сравнению с нелинейностью устройства, производные изменяются незначительно и могут рассматриваться как стандартные элементы линейной схемы. Преимущество моделей малых сигналов заключается в том, что их можно решать напрямую, в то время как нелинейные модели больших сигналов обычно решаются итеративно, с возможными сходимости или стабильности проблемами . При упрощении до линейной модели становится доступен весь аппарат решения линейных уравнений, например, совместные уравнения , определители и теория матриц (часто изучаемая как часть линейной алгебры ), особенно правило Крамера . Еще одним преимуществом является то, что о линейной модели легче думать, и она помогает организовать мышление.
Параметры слабого сигнала
[ редактировать ]Параметры транзистора отражают его электрические свойства. Инженеры используют параметры транзисторов при тестировании производственных линий и при проектировании схем. Группа параметров транзистора, достаточная для прогнозирования коэффициента усиления схемы , входного является и выходного импеданса, компонентами его модели малого сигнала .
ряд различных наборов параметров двухпортовой сети Для моделирования транзистора можно использовать . К ним относятся:
- Параметры передачи (Т-параметры),
- Гибридные параметры (h-параметры),
- Параметры импеданса (z-параметры),
- Параметры адмиттанса (y-параметры) и
- Параметры рассеяния (S-параметры).
Параметры рассеяния, или S-параметры, можно измерить для транзистора в заданной точке смещения с помощью векторного анализатора цепей . Параметры S можно преобразовать в другой набор параметров с помощью стандартных операций матричной алгебры .
Популярные модели
[ редактировать ]См. также
[ редактировать ]- Биполярный транзистор § Теория и моделирование
- Безопасная рабочая зона
- Автоматизация электронного проектирования
- Моделирование электронных схем
- Моделирование полупроводниковых устройств
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б WO2000077533A3 , Луи, Бэзил, «Метод и симулятор моделирования полупроводниковых устройств», выпущено 26 апреля 2001 г.
- ^ Карло Якобони; Паоло Лугли (1989). Метод Монте-Карло для моделирования полупроводниковых устройств . Вена: Springer Verlag. ISBN 3-211-82110-4 .
- ^ Зигфрид Зельбергерр (1984). Анализ и моделирование полупроводниковых приборов . Вена: Springer-Verlag. ISBN 3-211-81800-6 .
- ^ Тибор Грассер, изд. (2003). Расширенное моделирование и моделирование устройств (Int. J. High Speed Electron. and Systems) . Всемирная научная. ISBN 981-238-607-6 .
- ^ Крамер, Кевин М. и Хитчон, В. Николас Г. (1997). Полупроводниковые приборы: подход к моделированию . Река Аппер-Сэддл, Нью-Джерси: PTR Prentice Hall. ISBN 0-13-614330-Х .
- ^ Драгица Василеска ; Стивен Гудник (2006). Вычислительная электроника . Морган и Клейпул. п. 83. ИСБН 1-59829-056-8 .
- ^ Карлос Галуп-Монторо; Мурсио С. Шнайдер (2007). Моделирование МОП-транзисторов для анализа и проектирования схем . Всемирная научная. ISBN 978-981-256-810-6 .
- ^ Нараин Арора (2007). Моделирование МОП-транзисторов для моделирования СБИС: теория и практика . Всемирная научная. Глава 1. ISBN 978-981-256-862-5 .
- ^ Яннис Цивидис (1999). Операционное моделирование МОП-транзистора (Второе изд.). Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. ISBN 0-07-065523-5 .
- ^ Луи, Бэзил; Мильорато, П. (1 апреля 1997 г.). «Модель рекомбинации нового поколения для моделирования устройств, включая эффект Пула-Френкеля и туннелирование с помощью фононов» . Твердотельная электроника . 41 (4): 575–583. Бибкод : 1997SSEle..41..575L . дои : 10.1016/S0038-1101(96)00148-7 . ISSN 0038-1101 .
- ^ Луи, Бэзил; Тэм, SWB; Мильорато, П. (1998). «Экстрактор параметров Tft из поликремния» . Онлайн-библиотека материалов MRS . 507 : 365. дои : 10.1557/PROC-507-365 . ISSN 0272-9172 .
- ^ Кимура, Муцуми; Нодзава, Рёичи; Иноуэ, Сатоши; Симода, Тацуя; Луи, Бэзил; Тэм, Саймон Винг-Бан; Мильорато, Пьеро (1 сентября 2001 г.). «Извлечение ловушечных состояний на границе раздела оксид-кремний и границе зерен для тонкопленочных транзисторов из поликристаллического кремния» . Японский журнал прикладной физики . 40 (9R): 5227. Бибкод : 2001JaJAP..40.5227K . дои : 10.1143/JJAP.40.5227 . ISSN 1347-4065 . S2CID 250837849 .
- ^ Луи, Бэзил; Тэм, юго-запад Б.; Мильорато, П.; Симода, Т. (1 июня 2001 г.). «Метод определения объемной и интерфейсной плотности состояний в тонкопленочных транзисторах» . Журнал прикладной физики . 89 (11): 6453–6458. Бибкод : 2001JAP....89.6453L . дои : 10.1063/1.1361244 . ISSN 0021-8979 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Программное обеспечение Agilent EEsof EDA, IC-CAP для извлечения параметров и моделирования устройств http://eesof.tm.agilent.com/products/iccap_main.html