HSPICE MOSFET Models Manual

630 Pages·2005·5.44 MB·English

®
HSPICE MOSFET Models Manual
Version X-2005.09, September 2005
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Frame Compiler, Galaxy, Gatran, HANEX, HDL Advisor, HDL Compiler, Hercules, Hercules-Explorer, Hercules-II,
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Integrator, Interactive Waveform Viewer, i-Virtual Stepper, Jupiter, Jupiter-DP, JupiterXT, JupiterXT-ASIC, JVXtreme,
Liberty, Libra-Passport, Library Compiler, Libra-Visa, Magellan, Mars, Mars-Rail, Mars-Xtalk, Medici, Metacapture,
Metacircuit, Metamanager, Metamixsim, Milkyway, ModelSource, Module Compiler, MS-3200, MS-3400, Nova Product
Family, Nova-ExploreRTL, Nova-Trans, Nova-VeriLint, Nova-VHDLlint, Optimum Silicon, Orion_ec, Parasitic View,
Passport, Planet, Planet-PL, Planet-RTL, Polaris, Polaris-CBS, Polaris-MT, Power Compiler, PowerCODE, PowerGate,
ProFPGA, ProGen, Prospector, Protocol Compiler, PSMGen, Raphael, Raphael-NES, RoadRunner, RTL Analyzer,
Saturn, ScanBand, Schematic Compiler, Scirocco, Scirocco-i, Shadow Debugger, Silicon Blueprint, Silicon Early Access,
SinglePass-SoC, Smart Extraction, SmartLicense, SmartModel Library, Softwire, Source-Level Design, Star, Star-DC,
Star-MS, Star-MTB, Star-Power, Star-Rail, Star-RC, Star-RCXT, Star-Sim, Star-SimXT, Star-Time, Star-XP, SWIFT,
Taurus, TimeSlice, TimeTracker, Timing Annotator, TopoPlace, TopoRoute, Trace-On-Demand, True-Hspice,
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Printed in the U.S.A.
HSPICE® MOSFET Models Manual, X-2005.09
ii HSPICE® MOSFET Models Manual
X-2005.09
Contents
Inside This Manual. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
The HSPICE Documentation Set. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiv
Searching Across the HSPICE Documentation Set. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
Other Related Publications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvi
Conventions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvi
Customer Support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii
1. Overview of MOSFET Models. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Overview of MOSFET Model Types. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Selecting Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Selecting MOSFET Model LEVELs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Selecting MOSFET Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Selecting MOS Diodes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Searching Models as Function of W, L. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Setting MOSFET Control Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Scaling Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Scaling for LEVEL 25 and 33. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Bypassing Latent Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
General MOSFET Model Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
MOSFET Output Templates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2. Technical Summary of MOSFET Models. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Nonplanar and Planar Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Nonplanar techonology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Planar techonology:. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Field Effect Transistors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
MOSFET Equivalent Circuits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
HSPICE® MOSFET Models Manual iii
X-2005.09
Contents
Equation Variables. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Using the MOSFET Current Convention . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Using MOSFET Equivalent Circuits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
MOSFET Diode Models. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Selecting MOSFET Diode Models. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Enhancing Convergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
MOSFET Diode Model Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Using an ACM=0 MOS Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Calculating Effective Areas and Peripheries . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Calculating Effective Saturation Current. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Calculating Effective Drain and Source Resistances. . . . . . . . . . . . 45
Using an ACM=1 MOS Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Calculating Effective Areas and Peripheries . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Calculating Effective Saturation Current. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Calculating Effective Drain and Source Resistances. . . . . . . . . . . . 48
Using an ACM=2 MOS Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Calculating Effective Areas and Peripheries . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Calculating Effective Saturation Currents. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Calculating Effective Drain and Source Resistances. . . . . . . . . . . . 52
Using an ACM=3 MOS Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Calculating Effective Areas and Peripheries . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Effective Saturation Current Calculations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Effective Drain and Source Resistances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
MOS Diode Equations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
DC Current. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
Using MOS Diode Capacitance Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
Common Threshold Voltage Equations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Common Threshold Voltage Parameters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Calculating PHI, GAMMA, and VTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
MOSFET Impact Ionization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Calculating the Impact Ionization Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Calculating Effective Output Conductance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Cascoding Example. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Cascode Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
MOS Gate Capacitance Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Selecting Capacitor Models. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Transcapacitance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Operating Point Capacitance Printout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Element Template Printout. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
iv HSPICE® MOSFET Models Manual
X-2005.09
Contents
Calculating Gate Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Input File. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
Plotting Gate Capacitances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
Capacitance Control Options. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Scaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
MOS Gate Capacitance Model Parameters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Specifying XQC and XPART for CAPOP=4, 9, 11, 12, 13. . . . . . . . . . . . 77
Overlap Capacitance Equations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
CAPOP=0 — SPICE Meyer Gate Capacitances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Gate-Bulk Capacitance (cgb). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Gate-Source Capacitance (cgs). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Gate-Drain Capacitance (cgd) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
CAPOP=1 — Modified Meyer Gate Capacitances. . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Gate-Bulk Capacitance (cgb). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Gate-Source Capacitance (cgs). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Gate-Drain Capacitance (cgd) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
CAPOP=2—Parameterized Modified Meyer Capacitance. . . . . . . . . . . . 83
Gate-Bulk Capacitance (cgb). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Gate-Source Capacitance (cgs). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Gate-Drain Capacitance (cgd) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
CAPOP=3 — Gate Capacitances (Simpson Integration). . . . . . . . . . . . . 86
CAPOP=4 — Charge Conservation Capacitance Model. . . . . . . . . . . . . 88
CAPOP=5 — No Gate Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
CAPOP=6 — AMI Gate Capacitance Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
CAPOP=11 — Ward-Dutton model specialized (LEVEL 2). . . . . . . . . . . 95
CAPOP=12 — Ward-Dutton model specialized (LEVEL 3). . . . . . . . . . . 95
CAPOP=13 — BSIM1-based Charge-Conserving Gate Capacitance Model 95
CAPOP=39 — BSIM2 Charge-Conserving Gate Capacitance Model. . . 95
Calculating Effective Length and Width for AC Gate Capacitance. . . . . . 95
Noise Models. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
Temperature Parameters and Equations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Temperature Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
MOS Temperature Coefficient Sensitivity Parameters. . . . . . . . . . . 100
Temperature Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Energy Gap Temperature Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Saturation Current Temperature Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
MOS Diode Capacitance Temperature Equations . . . . . . . . . . . . . . 102
Surface Potential Temperature Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
Threshold Voltage Temperature Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
HSPICE® MOSFET Models Manual v
X-2005.09
Contents
Mobility Temperature Equations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Channel Length Modulation Temperature Equation. . . . . . . . . . . . . 105
Calculating Diode Resistance Temperature Equations . . . . . . . . . . 106
3. Common MOSFET Model Parameters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Basic MOSFET Model Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4. Standard MOSFET Models: Level 1 to 40 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
LEVEL 1 IDS: Schichman-Hodges Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
LEVEL 1 Model Parameters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
LEVEL 1 Model Equations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
IDS Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
Effective Channel Length and Width . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
LEVEL 2 IDS: Grove-Frohman Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
LEVEL 2 Model Parameters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
LEVEL 2 Model Equations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
IDS Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
Effective Channel Length and Width . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Threshold Voltage, v . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
th
Saturation Voltage, v
dsat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
Mobility Reduction, u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
eff
Channel Length Modulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
Subthreshold Current, I
ds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
LEVEL 3 IDS: Empirical Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
LEVEL 3 Model Parameters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
LEVEL 3 Model Equations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
IDS Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
Effective Channel Length and Width . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
Threshold Voltage, v . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
th
Saturation Voltage, v . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
dsat
Effective Mobility, u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
eff
Channel Length Modulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
Subthreshold Current, I
ds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
Compatibility Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
Synopsys Device Model versus SPICE3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
Temperature Compensation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
Simulation results: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
LEVEL 4 IDS: MOS Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
vi HSPICE® MOSFET Models Manual
X-2005.09
Contents
LEVEL 5 IDS Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
LEVEL 5 Model Parameters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
IDS Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
Effective Channel Length and Width . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
Threshold Voltage, v
th. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
Saturation Voltage, v
dsat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
Mobility Reduction, UB
eff. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
Channel Length Modulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
Subthreshold Current, I
ds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
Depletion Mode DC Model ZENH=0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
IDS Equations, Depletion Model LEVEL 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
Threshold Voltage, v . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
th
Saturation Voltage, v . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
dsat
Mobility Reduction, UB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
eff
Channel Length Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
Subthreshold Current, I
ds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
LEVEL 6/LEVEL 7 IDS: MOSFET Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
LEVEL 6 and LEVEL 7 Model Parameters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
UPDATE Parameter for LEVEL 6 and LEVEL 7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
LEVEL 6 Model Equations, UPDATE=0,2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
IDS Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Effective Channel Length and Width . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Threshold Voltage, vth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Single-Gamma, VBO=0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
Effective Built-in Voltage, vbi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
Multi-Level Gamma, VBO>0. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
Effective Built-in Voltage, vbi for VBO>0. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Saturation Voltage, vdsat (UPDATE=0,2). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Saturation Voltage, vsat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
LEVEL 6 IDS Equations, UPDATE=1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
Alternate DC Model (ISPICE model) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
Subthreshold Current, ids. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
Effective Mobility, ueff. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
Channel Length Modulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
ASPEC Compatibility. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
LEVEL 7 IDS Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
LEVEL 8 IDS Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
LEVEL 8 Model Parameters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
LEVEL 8 Model Equations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
IDS Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
Effective Channel Length and Width . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
HSPICE® MOSFET Models Manual vii
X-2005.09
Contents
Effective Substrate Doping, nsub. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
Threshold Voltage, vth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
Saturation Voltage vdsat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
Effective Mobility, ueff. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
Channel Length Modulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
Subthreshold Current Ids. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
LEVEL 27 SOSFET Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
LEVEL 27 Model Parameters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
Non-Fully Depleted SOI Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
Model Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
Obtaining Model Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
Fully Depleted SOI Model Considerations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
LEVEL 38 IDS: Cypress Depletion Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
LEVEL 38 Model Parameters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
LEVEL 38 Model Equations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
IDS Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Threshold Voltage, vth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
Saturation Voltage, vdsat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
Mobility Reduction, UBeff. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
Channel Length Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
Subthreshold Current, ids. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
Example Model File . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
Mobility Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
Body Effect. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
Saturation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
LEVEL 40 HP a-Si TFT Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
Using the HP a-Si TFT Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
Effect of SCALE and SCALM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
Noise Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
DELVTO Element. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
Device Model and Element Statement Example . . . . . . . . . . . . . . . 206
LEVEL 40 Model Equations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
Cutoff Region (NFS = 0, vgs £ von). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
Noncutoff Region (NFS 0). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
Cgd, Cgs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
LEVEL 40 Model Topology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
5. Standard MOSFET Models: Levels 50 to 64 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
Level 50 Philips MOS9 Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
viii HSPICE® MOSFET Models Manual
X-2005.09
Contents
JUNCAP Model Parameters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
Using the Philips MOS9 Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
Model Statement Example. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
Level 55 EPFL-EKV MOSFET Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
Single Equation Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
Effects Modeled. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
Coherence of Static and Dynamic Models. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
Bulk Reference and Symmetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
EKV Intrinsic Model Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
Static Intrinsic Model Equations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
Basic Definitions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
Parameter Preprocessing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
Bulk Referenced Intrinsic Voltages. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
Effective Channel Length and Width . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Short Distance Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Reverse Short-channel Effect (RSCE). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Effective Gate Voltage Including RSCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Effective substrate factor including charge-sharing for short and narrow
channels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
Pinch-off Voltage Including Short-Channel and Narrow-Channel Effects235
Slope Factor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
Large Signal Interpolation Function. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
Forward Normalized Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
Velocity Saturation Voltage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
Drain-to-source Saturation Voltage for Reverse Normalized Current 237
Channel-length Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
Equivalent Channel Length Including Channel-length Modulation and
Velocity Saturation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
Reverse Normalized Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
Transconductance Factor and Mobility Reduction Due to Vertical Field 238
Specific Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
Drain-to-source Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
Transconductances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
Impact Ionization Current. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
Quasi-static Model Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
Dynamic Model for the Intrinsic Node Charges . . . . . . . . . . . . . . . . 241
Intrinsic Capacitances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
Intrinsic Noise Model Equations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
Thermal Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
Flicker Noise. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
Operating Point Information. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
Numerical values of model internal variables. . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
Transconductance efficiency factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
HSPICE® MOSFET Models Manual ix
X-2005.09
Contents
Early voltage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
Overdrive voltage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
SPICE-like threshold voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
Saturation voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
Saturation / non-saturation flag:. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
Estimation and Limits of Static Intrinsic Model Parameters. . . . . . . . . . . 245
Model Updates Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
Revision I, September 1997. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
Revision II, July 1998. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
Corrections from EPFL R11, March, 1999. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
Corrections from EPFL R12, July 30, 1999 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
Level 58 University of Florida SOI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
Notes:. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
Level58 FD/SOI MOSFET Model Parameters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
Level58 NFD/SOI MOSFET Model Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
Notes:. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
Level58 Template Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
Level 61 RPI a-Si TFT Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
Model Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
Using Level 61 with Synopsys Simulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
Equivalent Circuit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
Model Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
Drain Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
Temperature Dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
Capacitance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
Level 62 RPI Poli-Si TFT Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
Model Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
Using Level 62 with Synopsys Simulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
Equivalent Circuit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
Model Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
Drain Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
Threshold Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
Temperature Dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
Capacitance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
Geometry Effect. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
Self Heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
Level 63 Philips MOS11 Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
Using the Philips MOS11 Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
Description of Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
Level 64: STARC HiSIM Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
x HSPICE® MOSFET Models Manual
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