SPICE简史（3)

SPICE中器件模型的演变

SPICE里面自带了很多模型。像无源元件电阻，电容，电感等等，以及有源器件二极管，双极管等。但花样最多的，变化最频繁的，复杂度最高的，当属MOSFET的模型了。这主要是因为从七八十年代以后，MOSFET的工艺因它的低功耗，高集成度而变成了主流。那时候还是个半导体工业百花争鸣的年代。很多半导体公司如雨后春笋般的冒出来（就像现在的社交媒体公司一样）。几乎每一家公司都在工艺及器件上有点自己的绝活，所以集成电路公司大多是个独立器件制造商（IDM）。这就造成了MOSFET的模型也层出不穷。谁家的SPICE支持的MOSFET模型越多，谁的SPICE用户群就越大。这点我们在下面HSPICE的章节中还会提到。

前面我们说过SPICE2中加上了MOSFETLevel 1的模型。等到SPICE3出来的时候，里面已经加入了Level2, 及Level3模型。到了九十年代，又加入了著名的BSIM（BerkeleyShort-channel IGFET Model）模型。可以这样说，现在所有的foundry用的模型都来自于BSIM家族。为什么在那么多MOSFET模型中，BSIM胜出了呢?

我们知道，SPICE是用来解含有非线性器件的电路方程的。解非线性方程的一个有效方法就是牛顿迭代–把非线性方程在某个点给它线性化，然后逐次逼近最终解。这个过程有点像俩个宇航飞船对接– 如果对方的接口在你的左边，你就往左偏一下。如果你偏多了，对方的接口在你的右边了，你就再稍往右偏点，直到最后俩个接口对准锁定。但这里面有个要求：就是非线性曲线的一阶导数要连续。如果不连续的话，就好像喝醉酒的人来控制飞船对接，忽左忽右，或者根本就掉过头来，不知东西南北，上下左右了，如何能对接上呢?不幸的是，很多早期的MOSFET模型（包括Level1，2，3）都有这个问题–模型的电流曲线的一阶导在工作区域内不连续。这是因为人为的把器件分成了不同的工作区域（呵呵，如果你是学器件的，你应该知道截止区，线性区，饱和区）。不同区之间能保证电流连续已经不错了，哪还去管它的导数呢！这样做的后果就像管对接的人喝醉了酒（呵呵），没法瞄准目标，最后导致SPICE不收敛（non-convergence），或时间步长太小（TimeStep Too Small – 这有很大可能也是不收敛造成的）。

早期的BSIM模型还保留了工作区域的观念。但在不同的区域之间加入了平滑过渡曲线，以保证电流曲线及其一阶导的连续性。在它后来的版本中，就彻底抛弃了工作区域的观念–干脆只用一个(连续且可导的)曲线来代表整个工作区域里的特性。这样就从根本上解决了不连续的问题。BSIM家族中最成功的代表是BSIM3v3（HSPICE中的Level49）和BSIM4v5（HSPICE中的Level54）。从此以后，再也没有其他的模型能出其右。它们俩也是工业界的MOSFET器件模型标准。BSIM3v3跨越了亚微米的工艺（0.3微米至0.13微米，大致从1993年到2000年），BSIM4v5跨越了深亚微米到纳米的工艺（90纳米至20纳米，大致从2002年到2012年）。

你可能会问：这么好的器件模型是谁做的?猜一下–对了，还是伯克利。是伯克利电子系器件模型小组。它的掌门人就是胡正明教授（Prof.Chenmin Hu）。

今天的SPICE开发者要感谢胡教授。如果BSIM不是工业标准，那你就得像HSPICE一样加几十上百个MOSFET模型。不光工作量大，容易出错，还有很多内部的模型人家还不愿意给你呢（参见下面Smart-Spice的故事）。而现在，你只要加一、二个开源的BSIM标准模型就可以覆盖绝大部分用户了。

有同学要问：现在的最新工艺不是已经到了16纳米，14纳米，以至10纳米，那这些工艺的器件结构与模型又是什么呢?答案已经有了：还是胡教授的小组开发的FinFET（也叫3维MOSFET）模型。实际上，早在99年胡教授就发表了FinFET的文章。因此他也被称作FinFET之父。他同时是美国和中国的科学院士。同学，如果你的一生中能达到以上其中的任何一项，是不是就可以笑傲江湖了呢?

就像半导体工艺由简到繁的过程一样，MOS器件模型也从Level1的几个公式/几十行代码，发展到BSIM的几百个公式/上万行代码。这里值得提出的一点，与BSIM3/BSIM4模型不同的是，FinFET模型不是用C语言，而是用Verilog-A语言写的。这直接导致了把它加到SPICE3中的困难。虽然很多商业SPICE已经支持Verilog-A，但现在开源的SPICE3却还没有做到（这里插一句：基于SPICE3的ngspice当中包含了支持Verilog-A的开源编译器ADMS。但要做到完全自动编译FinFET模型这样重量级的模块还有一段路要走）。也就是说，虽然FinFET模型是开源的，但现在它的仿真载体并不开源。这种现象与早期的SPICE研发反了过来。现在学术界落到了工业界的后面。看到这儿，学术界的同学是不是要深思一下呢?

(待续）

牛人一个

能说下高压model 故事吗?先前是level101还有 silvaco88

还有umc+synopsys 的66最后是如何选?还有ekv model 到底是那边使用
?不同model 间的问题我只知道 0.5um 5v 不少使用 synopsyslevel 28导致其它 edatool 无法直接使用

呵呵，MOSFET的compact modeling是一个很大的话题，也是一个很难“平民化”的话题，因为里面牵涉太多半导体物理及器件的东西了，所以很难吸引听众 。功率MOSFET模型是“主流”MOSFET模型的分支及延伸，像Silvaco的Level88就是基于BSIM3v3，Synopsys的Level66是基于BSIM4做的。相对于一般的MOSFET，功率模型要考虑功率器件本身的特点，像跟偏置有关的沟道电阻，高电压特性，热阻特性等。如果是学术上的讨论，那可以说每个模型都各有利弊（这倒是发文章的好方法）。如果是业界里用，那选择标准就不一样了。这时候器件模型只是很多考虑因素之一，你还需要考虑工艺的支持及模型参数提取，以及其它需要的工具，等等。最终选择的结果从模型角度看不一定是最好的（其实差得也没那么多），但从公司的角度看，一定要是最优的。

henhao！

问一个有点白痴的问题 slivaco这个词怎么念的啊?以前用它仿真过一种体硅工艺一直到论文答辩 我都不知道这个词如何发音答辩会上我用这个公司的中文名代替现在想想有点脑残

你问"Silvaco"如何发音?我能想到的最近的中文发音就是“思右挖抠”，呵呵。

good article

小编辛苦了！

本贴从 谈天说地 板块移动过来的，感觉到更适合本版块。

看到胡志明教授的头像了，据说是我们学校陈星弼院士的老师

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好好，学习了

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