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器件模型参数变化对MOSFET特性的影响
摘要
本次仿真在ADS软件下进行，模拟器件的S模型参数变化时，器件的直流特性、频率特性的变化。仿真过程中绘制了跨导、迁移率、特征频率与器件的栅氧化层厚度、衬底掺杂浓度、快界面态密度、横向扩散长度、沟道调制系数的特性曲线，了解了这些参数变化对器件直流特性，交流特性的影响。
引言
MOS晶体管的发明可追溯到20世纪30年代初。1930年，德国科学家Lilienfeld（利林费尔德）提出了场效应晶体管的概念。之后，贝尔实验室的Shockley（肖克利）、Bardeen（巴丁）和Brattain（布拉顿）开始尝试发明场效应晶体管。尽管这一尝试以失败告终，却最终导致Bardeen和Brattain在1947年意外地发明了点接触双极晶体管。1949年Shockley用少子注入理论阐明了双极晶体管的工作原理，并提出了可实用化的结型晶体管概念。1960年，Kahng和Attala在用二氧化硅（SiO2）改善双极晶体管性能的过程中意外地发明了MOS场效应晶体管(简称MOS晶体管)，从此，MOS晶体管进入集成电路的制造行业，并逐渐成为了电子工业中最重要的电子器件【1】。
对于MOSFET而言，其内在矛盾很多，而其中的一个重要矛盾就是其工作频率的提高与增益的提高是不相容的，这集中就表现在它的“工作频带宽度与电压增益的乘积等于一个常数”这个关系上（该常数就是特征频率）。由于MOSFET的上述内在矛盾限制着器件性能的进一步提高，所以在设计MOSFET时，就必须兼顾频率和增益这两个方面的要求。
本次仿真的目的就是了解这些器件的S参数变化对器件直流特性，交流特性的影响，从而在设计电路和器件时可以通过调整S参数来改善器件的特性。
器件模型
集成电路经历了由小规模、中规模、大规模到目前超大规模集成电路的发展，电路集成度的不断提高，主要源于半导体器件的尺寸持续缩小及生产工艺的不断进步随着集成电路规模的扩大以及工艺的不断复杂化，用手工技术或者实验的方法去完成电路的设计已经是不可能的，为了能够准确地对集成电路进行设计和分析，必需使用计算机辅助设计模拟软件，SPICE就是电路设计领域最具代表性的模拟工具。为了适应集成电路技术与电路仿真技术的发展，SPICE在其中建立了多个级别的MOSFET模型。
电路模型指可用计算机运算的数学模型，在电路模拟程序中建立电路元器件的数学模型，是实现电路模拟的先决条件。理论上，元器件模型应该既能反映电学特性又能适应计算机的求解计算。但是随着元器件模型精度的提高，模型会变得愈加复杂，模型参数的数量也愈加庞大，这样在计算机实现起来就愈加困难【1】。
若单纯为了有利计算机计算而简化模型，则又会产生分析结果不精确的问题。因此，电路元器件模型的设计，需结合实际需求综合考虑。一般情况下，精度和复杂度较高的器件模型常用在单管设计或元器件物理模型的研究中。而在分析一般电路时，应该在满足一定精度要求的前提下，尽量选择利于计算机实现的简单模型。电路模拟的精确度不仅与器件的模型有关，还和器件模型参数值的精度密切相连。在构建器件模型时，要尽可能的使得器件参数都具有明确的物理意义，并且还要与器件工艺参数相关。模型的参数即使无法直接与工艺参数相关，也应该能用一定的测试手段测量出来。
构建器件数学模型的方法有两种：一种是以IBIS模型和S参数为代表的行为级模型。此类模型不涉及器件的工作机理，只考虑器件的电学工作特性，通过测量器件端口的电气特性的方法来提取器件模型。行为级模型优点是易于建立，便于工程设计人员理解，节约资源，模型的适用范围也很广泛等，而它们的缺点是模型精度较差，且模型的一致性与测试精度和测试技术有关。另一种构建器件数学模型的方法是以SPICE为代表的模型，此类模型以半导体器件的工作机理为前提，从器件的数学方程式出发，所得的模型与器件的物理密切相关。这类模型的优点是模型计算精度高，并且随着建模手段的进步和半导体工艺的发展，人们已能针对不同的精度需求来提供多种不同级别的SPICE模型。这类模型的缺点是模型比较复杂，计算时间较长【2】。
SPICE有如下四个基本等级的MOSFET模型：MOSl模型，一级平方率模型。通常用于精确度相对于计算时间处于次要地位的情况，是一个以器件物理为基础的模型。该模型只考虑了MOSFET的基本性能，适用于均匀掺杂的长沟道的半导体器件。由于模型的计算方程简单，容易被电路设计人员理解，所以目前在手算和电路的初步模拟的时候仍有使用。MOS2模型，二级平方率模型。它是一个基于几何构型的模型，它在定义模型方程的过程中详细地考虑了器件的物理参数。类似饱和速度、迁移率衰减和漏极诱导势垒降低(DIBL)这样的