BSIM4 and MOSFET Modeling for IC Simulation pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:World Scientific Pub Co Inc

作者:Liu, Wiedong

出品人:

页数:300

译者:

出版时间:2011-11

价格:$ 167.24

装帧:HRD

isbn号码:9789812568632

丛书系列:

图书标签:

BSIM4
MOSFET
Modeling
IC Simulation
Analog Circuit
Semiconductor Devices
SPICE
Electronics
VLSI
Device Modeling
Simulation

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具体描述

This book presents the art of advanced MOSFET modeling for integrated circuit simulation and design. It provides the essential mathematical and physical analyses of all the electrical, mechanical and thermal effects in MOS transistors relevant to the operation of integrated circuits. Particular emphasis is placed on how the BSIM model evolved into the first ever industry standard SPICE MOSFET model for circuit simulation and CMOS technology development. The discussion covers the theory and methodology of how a MOSFET model, or semiconductor device models in general, can be implemented to be robust and efficient, turning device physics theory into a production-worthy SPICE simulation model. Special attention is paid to MOSFET characterization and model parameter extraction methodologies, making the book particularly useful for those interested or already engaged in work in the areas of semiconductor devices, compact modeling for SPICE simulation, and integrated circuit design.

先进集成电路设计中的器件物理与仿真技术（本书旨在深入探讨现代集成电路（IC）设计流程中至关重要的半导体器件物理基础、先进晶体管模型构建方法，以及这些模型在电路仿真中的实际应用，尤其侧重于超越传统MOSFET范畴的新兴技术和挑战。） --- 第一部分：半导体器件物理学基础的深化与拓展本书从集成电路设计者和设备工程师所必需的扎实物理学知识出发，对半导体器件的工作原理进行了深入剖析，并将其提升到现代制程技术对器件性能影响的层面。第一章：晶体管的物理极限与尺寸效应的量化本章首先回顾了经典MOSFET的工作原理，随后将重点放在亚微米乃至纳米尺度下，传统理想模型（如平方律模型）失效的原因。深入探讨了短沟道效应（SCEs）的各个方面，包括DIBL（漏致势垒降低）、阈值电压滚降（Vth Roll-off）的精确数学描述。详细分析了载流子输运机制的转变，从扩散主导转向漂移主导，并介绍了高场效应下的载流子饱和速度现象，以及其对晶体管跨导的限制。此外，本章还涉及了薄氧化层下的隧穿电流（Tunneling Current）——包括直接隧穿和间接隧穿——的物理机制和对低功耗设计的影响。第二章：先进半导体材料与结构的热力学与输运现代IC设计已不再局限于传统的硅基（Si）平台。本章聚焦于替代沟道材料和新型器件结构所带来的物理挑战。详细讨论了高迁移率材料，如SiGe和III-V族半导体（如InGaAs）在沟道工程中的应用前景。对二维（2D）材料，特别是石墨烯和二硫化钼（MoS2）作为潜在的下一代晶体管沟道材料的电学特性进行了详尽的物理分析，包括其独特的狄拉克锥结构对载流子输运的影响。同时，对量子尺寸效应（Quantum Confinement Effects），如载流子在极薄沟道中的能带结构重构和其对阈值电压精度的影响进行了详细的物理建模。第三章：噪声、可靠性与版图耦合在纳米工艺节点，器件噪声和长期可靠性成为限制性能和寿命的关键因素。本章系统性地分析了器件内部的随机过程，包括热噪声（Thermal Noise）、闪烁噪声（Flicker Noise/$1/f$ Noise）的产生机理，及其与沟道表面缺陷、栅极氧化层陷阱态密度的关联。在可靠性方面，详细介绍了电迁移（Electromigration）在金属互连和源/漏区的物理损伤过程，以及对栅氧化层的长期可靠性威胁，如TDDB（时间依赖性介质击穿）。探讨了版图设计规则如何通过影响局部电场分布和热管理来间接影响器件的物理性能和可靠性寿命。 --- 第二部分：高级晶体管模型构建与参数提取的工程方法本部分侧重于如何将复杂的半导体物理转化为可用于电路模拟器（如SPICE）的精确、高效的数学模型，并讨论了这些模型在不同仿真场景下的适用性。第四章：物理驱动模型的结构与层次化设计本章批判性地评估了现有主流晶体管模型的局限性，并提出了构建下一代模型的设计哲学——即“物理驱动”与“工程实用性”的平衡。详细介绍了模型参数的层次化结构，如何将宏观电学参数分解为可直接从工艺（如沟道长度、栅极厚度）和材料特性（如迁移率、费米能级）中提取的基础物理量。探讨了如何构建能够准确描述饱和区、亚阈值区、以及沟道区电荷守恒的连续性方程。第五章：先进模型中的非理想效应建模重点关注那些在传统模型中被忽略或简化处理的非理想效应，以及它们在现代设计中的重要性。详细阐述了沟道长度调制（Channel Length Modulation, CLM）的更精细建模方法，以及如何将速度饱和效应（Velocity Saturation）纳入模型，特别是对于SOI（绝缘体上硅）和FinFET等结构。探讨了载流子调制效应（Carrier Velocity Modulation）对跨导（$g_m$）的影响，并介绍了如何利用复杂的非线性微分方程组来准确捕捉这些效应。此外，本书对基于势垒导电模型（Barrier Conduction Models）与沟道导电模型（Drift-Diffusion Models）的混合建模策略进行了深入比较。第六章：参数提取的自动化与验证流程模型的精确性严重依赖于高质量的参数提取。本章详细介绍了从实际半导体器件测量数据（I-V特性、C-V特性）中提取模型参数的系统方法。重点介绍了最小二乘法、非线性优化算法在参数拟合中的应用，以及如何处理测量数据中的噪声和偏差。讨论了模型验证的严格标准，包括对直流（DC）、小信号交流（AC）响应，以及瞬态（Transient）响应的全面一致性检查。引入了“模型守真度”（Model Fidelity）的概念，并阐述了如何使用统计方法来评估模型在不同工艺角（Process Corners）下的鲁棒性。 --- 第三部分：面向特定应用场景的仿真策略本部分将理论模型与实际电路仿真需求相结合，探讨了在高性能计算（HPC）、射频（RF）和低功耗模拟/混合信号设计中，如何选择和应用这些先进的器件模型。第七章：高频性能与射频器件建模对于RF和高速数字设计，寄生参数和非线性模型的精度至关重要。本章专门处理器件的寄生效应建模，包括栅极串联电阻（$R_g$）、源/漏扩散电阻的温度依赖性。重点分析了沟道长度依赖性的电容模型（Gate-Induced Capacitance）和高频下的宽带噪声模型。介绍了如何利用瞬态求解器准确模拟高频振荡器（Oscillators）和混频器（Mixers）中的频率响应和相位噪声（Phase Noise），强调了模型中精确描述电荷存储和释放动力学的重要性。第八章：新型晶体管结构与新兴器件的仿真考量本章聚焦于FinFET、GAA（Gate-All-Around）晶体管以及其他突破传统平面结构的器件。详细分析了FinFET在三维电场控制下的独特物理行为，以及如何调整模型参数以反映其更优的短沟道控制能力。对于GAA结构（如Nanosheet/Nanowire），探讨了多指结构（Multi-Fin/Multi-Gate）对等效沟道宽度和电荷分布的复杂影响。此外，还对负电容晶体管（NCFET）和铁电晶体管（FeFET）等新兴器件的负反馈机制和亚阈值摆幅（SS）改善效应在仿真中的初步建模挑战进行了前瞻性探讨。第九章：功率与模拟电路中的模型应用与挑战在功率管理和高精度模拟电路中，匹配性、温漂和电源抑制比（PSRR）是设计的核心。本章探讨了如何对具有大尺寸（W/L比高）的功率晶体管进行建模，此时载流子迁移率的饱和效应和热效应变得突出。分析了匹配效应（Mismatch）的统计模型构建，如何将随机过程引入到模型参数的分布中，以预测电路性能的变异性。讨论了在模拟仿真中，模型对直流工作点（DC Operating Point）的敏感性，以及如何使用更复杂的电荷模型（而非单纯的电流模型）来提高瞬态和AC仿真的收敛性和准确性。 --- 目标读者：本书面向对集成电路设计有深入兴趣的研究生、资深IC设计工程师、半导体工艺开发人员以及致力于器件物理建模的科研人员。要求读者具备半导体物理和电路理论的基础知识。通过本书的学习，读者将能够深刻理解现代半导体器件的内在物理机制，并掌握构建和应用高精度、高鲁棒性器件模型的工程实践技能。