Họ BSIM: mô hình compact chứa gì

BSIM: mô hình compact gồm nhiều nhóm núm, mỗi nhóm bắt một hiện tượng

Hộp mô hình compact chứa nhiều hiện tượng mà công thức bậc hai bỏ sót; BSIM gom núm thành từng nhóm, mỗi nhóm một hiện tượng.

BSIM (họ mô hình compact của Berkeley) gom các núm thành nhóm tham số (nhóm núm cùng lo một hiện tượng). Bài này mở năm nhóm.

Xem lời đọc

Trong hộp mô hình compact có những hiện tượng nào? Công thức bậc hai chỉ bắt được transistor kênh dài. Mô hình của xưởng ta đã so sánh thuộc một họ phổ biến, tên là bi sim. Họ này gom các núm thành nhóm, mỗi nhóm lo một hiện tượng. Ta mở năm nhóm. Mỗi nhóm có vài núm. Đổi một nhóm thì một phần của đường cong thay đổi. Hiện tượng đầu tiên là ngưỡng.

BSIM viết tắt từ Berkeley Short-channel IGFET Model. SKY130 dùng BSIM4 (ngspice level 54). BSIM4 còn nhiều nhóm khác (kích thước, nhiệt độ, nhiễu…); bài chỉ mở năm nhóm.

Nhóm ngưỡng và DIBL: điện áp máng lớn kéo đường cong về phía điện áp cổng nhỏ

Một núm đặt ngưỡng kênh dài, núm khác đặt độ lớn của DIBL, tức độ dời của đường cong khi điện áp máng tăng.

Nhóm này đặt điện áp ngưỡng kênh dài (vth0) và độ lớn DIBL (hạ rào do máng) qua eta0. Điện áp máng lớn thì đường I_D–V_G dời về phía điện áp cổng nhỏ hơn.

Xem lời đọc

Nhóm đầu tiên lo điện áp ngưỡng. Với điện áp máng nhỏ, ta có một đường dòng theo điện áp cổng. Tăng điện áp máng, kênh ngắn bị hạ rào, gọi là đi ai bi eo. Đường cong dời về phía điện áp cổng nhỏ hơn. Cùng một điện áp cổng, dòng khi đó lớn hơn. Một núm đặt ngưỡng kênh dài, núm khác đặt độ lớn của đi ai bi eo. Tăng núm thứ hai thì kênh ngắn dời nhiều hơn.

vth0 là ngưỡng của kênh dài ở điện áp đế bằng không; ở kênh 0,15 µm ngưỡng thực đo còn chịu hiệu ứng kênh ngắn, nên vạch vth0 chỉ là tham số, không phải ngưỡng đo. DIBL là Drain-Induced Barrier Lowering. eta0 tăng thì DIBL tăng; dsub là số mũ phụ thuộc chiều dài, tăng dsub thì DIBL giảm (nên không đưa lên hình). Độ dời V_G ở dòng 1 µA giữa V_D = 0,05 V và 1,8 V: 67,6 mV (eta0 = 0), 77,2 mV (eta0 = 0,05, mô hình gốc), 96,6 mV (eta0 = 0,15); phần còn lại ở eta0 = 0 do dsub và các hiệu ứng kênh ngắn khác.

Nhóm độ linh động: điện trường cổng lớn làm electron va chạm nhiều nên dòng tăng chậm

Điện áp cổng lớn ép electron sát mặt tiếp xúc oxit, độ linh động giảm, đường dòng cong xuống.

Điện trường cổng kéo electron sát mặt tiếp xúc với oxit, tăng va chạm, nên độ linh động giảm khi điện áp cổng lớn. Nhóm này có u0 (độ linh động ban đầu) và ua (mức giảm theo điện trường).

Xem lời đọc

Độ linh động cho biết electron chạy dễ đến mức nào. Điện áp cổng lớn kéo electron sát vào mặt tiếp xúc với ô xít. Ở đó electron va chạm nhiều hơn, nên chạy kém dễ dàng. Độ linh động vì thế giảm khi điện áp cổng tăng. Nếu mô hình compact bỏ qua nhóm này, dòng tăng nhanh hơn thực tế ở điện áp cổng lớn. Một núm đặt độ linh động ban đầu, núm khác đặt mức giảm. Tăng mức giảm thì đường dòng cong xuống sớm hơn.

Đo ở V_D nhỏ để tách khỏi tốc độ trần. ua là hệ số bậc một của mức giảm theo điện trường vuông góc với mặt; nhóm còn có ub (bậc hai), không đưa lên hình (theo sổ tay BSIM4). Ở V_G = 1,8 V, V_D = 0,05 V: dòng 55,6 µA (mô hình gốc), 83,3 µA nếu bỏ giảm linh động (ua = ub = 0), 34,2 µA nếu ua gấp ba; u0 nhân 0,7 cho 41,0 µA, nhân 1,4 cho 73,1 µA.

Nhóm tốc độ trần: tên chuẩn là vận tốc bão hòa, một núm đặt giá trị trần

Cảnh GẮN TÊN: tốc độ trần đã biết nay là một nhóm, tên chuẩn vận tốc bão hòa, núm vsat đặt giá trị trần; chỉ nhắc ngắn hiệu ứng, góc nhìn mới là so với công thức bậc hai.

Tốc độ electron có trần, tên chuẩn là vận tốc bão hòa; kênh ngắn chạm trần sớm nên dòng thôi tăng theo điện áp máng. Núm vsat đặt giá trị trần.

Xem lời đọc

Nhóm thứ ba là tốc độ trần của electron. Tên chuẩn của trần này là vận tốc bão hòa. Kênh ngắn có điện trường dọc rất lớn, nên chạm trần sớm. Chạm trần rồi thì dòng bão hòa thôi tăng theo điện áp máng. Công thức bậc hai không có trần, nên dự đoán dòng quá lớn. Chỉ một núm đặt giá trị trần này. Hạ giá trị trần thì đoạn phẳng hạ theo.

Công thức bậc hai không có trần nên dự đoán dòng lớn hơn ở kênh ngắn. Cảnh trình diễn vặn núm trần là bài 4; ở đây chỉ gắn tên và nhóm. vsat gốc 8·10⁴ m/s; dòng ở V_G = V_D = 1,8 V: 346,5 µA (gốc), 223,3 µA (vsat nhân 0,5), 479,0 µA (nhân 2), 728,4 µA nếu bỏ trần. Chỉ xu hướng.

Nhóm dưới ngưỡng: độ dốc của đoạn thẳng trên đồ thị lôga quyết định transistor tắt tốt đến đâu

Dưới ngưỡng dòng vẫn chảy; một núm đặt độ dốc của đoạn thẳng, độ dốc thoải thì dòng rò lớn.

Dưới điện áp ngưỡng dòng giảm rất nhanh nhưng không bằng không; trên đồ thị lôga đó là đoạn gần thẳng. Núm nfactor đặt độ dốc của đoạn này.

Xem lời đọc

Dưới ngưỡng, dòng không bằng không mà giảm rất nhanh khi hạ điện áp cổng. Trên đồ thị lôga, phần này là một đường gần như thẳng. Độ dốc của đường thẳng quyết định transistor tắt tốt đến đâu. Độ dốc đo bằng số mili vôn cho mỗi mười lần dòng. Đường thoải thì dù hạ điện áp cổng xuống không, dòng rò vẫn lớn. Một núm đặt độ dốc của đoạn này. Tăng núm đặt độ dốc thì đường thoải ra, dòng rò tăng.

nfactor là hệ số độ dốc dưới ngưỡng (theo tài liệu BSIM4.5, bảng ICCAP); tăng nfactor làm đoạn thoải ra. Nhóm còn có voff (điện áp lệch dưới ngưỡng) dời cả đoạn, không đưa lên hình. Độ dốc dưới ngưỡng đo trên V_G từ 0,30 đến 0,42 V: 65,8 mV cho mười lần dòng (nfactor = 0,5), 71,5 (1,2, gốc), 88,0 (3,0); dòng ở V_G = 0 cỡ 0,05 pA (sàn của mô hình nhỏ).

Nhóm điện dung: cổng làm tụ với kênh và chồng lên nguồn, máng, nên mỗi lần đổi điện áp tụ phải nạp

Các tụ của transistor tăng thì cổng đảo chuyển trạng thái chậm hơn, tải không đổi.

Cổng và kênh làm thành một tụ; cổng chồng lên nguồn và máng tạo thêm hai tụ (cgso cho phía nguồn). Điện áp đổi thì các tụ nạp hoặc xả, nên tăng chúng làm trễ tăng.

Xem lời đọc

Cổng chứa điện tích, nên cổng và kênh làm thành một tụ điện. Cổng còn chồng lên nguồn và máng một đoạn nhỏ. Mỗi chỗ chồng lên tạo thêm một tụ điện nữa. Điện áp cổng đổi thì các tụ này phải nạp hoặc xả. Nhóm tham số điện dung đặt độ lớn các tụ đó. Tăng các tụ này thì cổng đảo chuyển trạng thái chậm hơn. Tải mười phem tô fa ra không đổi, chỉ nhóm điện dung đổi.

cgso, cgdo là điện dung chồng lấn trên mỗi bề rộng (cgdo cho phía máng, cùng loại, không đưa lên hình). Nhóm điện dung của BSIM4 còn nhiều tham số khác (viền, mối nối). Tải 10 fF lớn hơn nhiều so với cgso, cgdo (cỡ phần mười fF theo chuyên gia), nên mã mẫu phải tăng các tụ lên vài lần mới thấy trễ đổi; chỉ nói chiều tăng, không so với trễ ff/tt/ss. Trễ khi ra đi xuống và đi lên: 58 ps và 68 ps (cgso, cgdo gốc 0,1 fF trên µm), 69 ps và 80 ps khi nhân mười; tải 10 fF.

BSIM-CMG: cổng bao nhiều mặt thì điện tích và điện dung của kênh cần họ mô hình riêng

Cổng bao ba hoặc bốn mặt làm điện tích kênh phân bố khác transistor phẳng, nên có họ BSIM-CMG.

FinFET có cổng bao ba mặt, GAA bao bốn mặt, nên điện tích kênh và điện dung khác transistor phẳng. Họ BSIM-CMG (mô hình chung cho nhiều cổng, Common Multi-Gate) viết riêng cho các hình học này.

Xem lời đọc

Transistor phẳng chỉ có cổng chạm một mặt của kênh. FinFET có cổng bao ba mặt, cổng bao kín thì bao bốn mặt. Cổng càng bao nhiều mặt thì càng chặn kênh tốt hơn. Nhưng điện tích trong kênh và điện dung cũng phân bố khác hẳn. Họ cho transistor phẳng, tên bi sim bốn, chưa đủ cho hình học này. Họ riêng này gọi là bi sim xi em gi. Nó tính đến hình học của vây và số mặt cổng bao. Họ cho silicon trên ô xít chôn tên bi sim ét ô ai, ta chỉ nêu tên.

CMG là Common Multi-Gate: một mô hình chung cho nhiều hình học nhiều cổng (không phải 'cổng chung'). BSIM-CMG do UC Berkeley phát triển cùng đối tác công nghiệp và được Compact Model Coalition (CMC, thuộc Si2) chọn làm chuẩn. BSIM-SOI là họ cho wafer SOI (silicon trên lớp SiO₂ chôn); bài chỉ nêu tên. Không số.

Đọc đoạn `.model`: mỗi tên tham số thuộc một nhóm và một hiện tượng

Tên tham số trong `.model` thuộc một trong năm nhóm; số đứng cạnh mỗi tên chưa biết đến từ đâu.

Một đoạn `.model` của SKY130 là danh sách tên tham số và số; tên nào thuộc nhóm nào thì ứng hiện tượng đó. Số đứng cạnh tên được lấy từ dữ liệu, chưa rõ bằng cách nào.

Xem lời đọc

Mở tệp mô hình ra, ta thấy rất nhiều tên tham số. Nhiều tên thuộc một trong năm nhóm vừa xem. Tên đặt ngưỡng và hạ rào thuộc nhóm đầu tiên. Tên đặt độ linh động và mức giảm thuộc nhóm thứ hai. Tên đặt tốc độ trần thuộc nhóm thứ ba. Tên đặt độ dốc dưới ngưỡng và tên đặt điện dung thuộc hai nhóm còn lại. Biết đọc như vậy, gặp đường cong lệch, ta biết nhóm nào cần chỉnh. Nhưng các con số đứng cạnh mỗi tên đến từ đâu?

Tên tham số lấy từ file `sky130_fd_pr__nfet_01v8` (SKY130 chia thành nhiều bin theo L và W; bài lấy bin chứa L = 0,15 µm, W = 0,65 µm). Chỉ hiện bảy tên đã gặp trong bài, có trong file; bin có hơn 270 dòng; bảy tên đều có trong file.
Số liệu