具体描述
* Bridges the gap between device modelling and analog circuit design.* Includes dedicated software enabling actual circuit design.* Covers the three significant models: BSIM3, Model 9 &, and EKV.* Presents practical guidance on device development and circuit implementation.* The authors offer a combination of extensive academic and industrial experience.
作者简介
目录信息
Preface xi
1 MOSFET Device Physics and Operation 1
1.1 Introduction 1
1.2 The MOS Capacitor 2
1.2.1 Interface Charge 3
1.2.2 Threshold Voltage 7
1.2.3 MOS Capacitance 8
1.2.4 MOS Charge Control Model 12
1.3 Basic MOSFET Operation 13
1.4 Basic MOSFET Modeling 15
1.4.1 Simple Charge Control Model 16
1.4.2 The Meyer Model 18
1.4.3 Velocity Saturation Model 19
1.4.4 Capacitance Models 21
1.4.5 Comparison of Basic MOSFET Models 25
1.4.6 Basic Small-signal Model 26
1.5 Advanced MOSFET Modeling 27
1.5.1 Modeling Approach 29
1.5.2 Nonideal Effects 31
1.5.3 Unified MOSFET C–V Model 37
References 44
2 MOSFET Fabrication 47
2.1 Introduction 47
2.2 Typical Planar Digital CMOS Process Flow 48
2.3 RF CMOS Technology 60
References 67
3 RF Modeling 69
3.1 Introduction 69
3.2 Equivalent Circuit Representation of MOS Transistors 71
3.3 High-frequency Behavior of MOS Transistors and AC Small-signal
Modeling 78
vi CONTENTS
3.3.1 Requirements for MOSFET Modeling for RF Applications 79
3.3.2 Modeling of the Intrinsic Components 80
3.3.3 HF Behavior and Modeling of the Extrinsic Components 83
3.3.4 Non-quasi-static Behavior 98
3.4 Model Parameter Extraction 101
3.4.1 RF Measurement and De-embedding Techniques 101
3.4.2 Parameter Extraction 106
3.5 NQS Model for RF Applications 113
References 115
4 Noise Modeling 119
4.1 Noise Sources in a MOSFET 119
4.2 Flicker Noise Modeling 119
4.2.1 The Physical Mechanisms of Flicker Noise 120
4.2.2 Flicker Noise Models 122
4.2.3 Future Work in Flicker Noise Modeling 123
4.3 Thermal Noise Modeling 126
4.3.1 Existing Thermal Noise Models 126
4.3.2 HF Noise Parameters 128
4.3.3 Analytical Calculation of the Noise Parameters 132
4.3.4 Simulation and Discussions 134
4.3.5 Induced Gate Noise Issue 138
References 138
5 Proper Modeling for Accurate Distortion Analysis 141
5.1 Introduction 141
5.2 Basic Terminology 142
5.3 Nonlinearities in CMOS Devices and Their Modeling 145
5.4 Calculation of Distortion in Analog CMOS Circuits 149
References 151
6 The BSIM4 MOSFET Model 153
6.1 An Introduction to BSIM4 153
6.2 Gate Dielectric Model 153
6.3 Enhanced Models for Effective DC and AC Channel Length and Width 155
6.4 Threshold Voltage Model 157
6.4.1 Enhanced Model for Nonuniform Lateral Doping due to Pocket
(Halo) Implant 157
6.4.2 Improved Models for Short-channel Effects 159
6.4.3 Model for Narrow Width Effects 161
6.4.4 Complete Threshold Voltage Model in BSIM4 163
6.5 Channel Charge Model 164
6.6 Mobility Model 167
6.7 Source/Drain Resistance Model 169
CONTENTS vii
6.8 I –V Model 172
6.8.1 I–V Model When rdsMod = 0 (RDS(V ) = 0) 172
6.8.2 I–V Model When rdsMod = 1 (RDS(V ) = 0) 175
6.9 Gate Tunneling Current Model 176
6.9.1 Gate-to-substrate Tunneling Current IGB 176
6.9.2 Gate-to-channel and Gate-to-S/D Currents 178
6.10 Substrate Current Models 179
6.10.1 Model for Substrate Current due to Impact Ionization
of Channel Current 179
6.10.2 Models for Gate-induced Drain Leakage (GIDL) and
Gate-induced Source Leakage (GISL) Currents 180
6.11 Capacitance Models 180
6.11.1 Intrinsic Capacitance Models 181
6.11.2 Fringing/Overlap Capacitance Models 188
6.12 High-speed (Non-quasi-static) Model 190
6.12.1 The Transient NQS Model 190
6.12.2 The AC NQS Model 192
6.13 RF Model 192
6.13.1 Gate Electrode and Intrinsic-input Resistance (IIR) Model 192
6.13.2 Substrate Resistance Network 194
6.14 Noise Model 194
6.14.1 Flicker Noise Models 195
6.14.2 Channel Thermal Noise Model 196
6.14.3 Other Noise Models 197
6.15 Junction Diode Models 198
6.15.1 Junction Diode I–V Model 198
6.15.2 Junction Diode Capacitance Model 200
6.16 Layout-dependent Parasitics Model 201
6.16.1 Effective Junction Perimeter and Area 201
6.16.2 Source/drain Diffusion Resistance Calculation 204
References 206
7 The EKV Model 209
7.1 Introduction 209
7.2 Model Features 209
7.3 Long-channel Drain Current Model 210
7.4 Modeling Second-order Effects of the Drain Current 212
7.4.1 Velocity Saturation and Channel-length Modulation 212
7.4.2 Mobility Degradation due to Vertical Electric Field 213
7.4.3 Effects of Charge-sharing 213
7.4.4 Reverse Short-channel Effect (RSCE) 214
7.5 SPICE Example: The Effect of Charge-sharing 214
7.6 Modeling of Charge Storage Effects 216
7.7 Non-quasi-static Modeling 218
viii CONTENTS
7.8 The Noise Model 219
7.9 Temperature Effects 219
7.10 Version 3.0 of the EKV Model 220
References 220
8 Other MOSFET Models 223
8.1 Introduction 223
8.2 MOS Model 9 223
8.2.1 The Drain Current Model 224
8.2.2 Temperature and Geometry Dependencies 227
8.2.3 The Intrinsic Charge Storage Model 231
8.2.4 The Noise Model 233
8.3 The MOSA1 Model 235
8.3.1 The Unified Charge Control Model 235
8.3.2 Unified MOSFET I –V Model 237
8.3.3 Unified C–V Model 241
References 241
9 Bipolar Transistors in CMOS Technologies 243
9.1 Introduction 243
9.2 Device Structure 243
9.3 Modeling the Parasitic BJT 243
9.3.1 The Ideal Diode Equation 245
9.3.2 Nonideal Effects 246
References 247
10 Modeling of Passive Devices 249
10.1 Introduction 249
10.2 Resistors 249
10.2.1 Well Resistors 251
10.2.2 Metal Resistors 252
10.2.3 Diffused Resistors 252
10.2.4 Poly Resistors 253
10.3 Capacitors 254
10.3.1 Poly–poly Capacitors 255
10.3.2 Metal–insulator–metal Capacitors 256
10.3.3 MOSFET Capacitors 257
10.3.4 Junction Capacitors 258
10.4 Inductors 260
References 262
11 Effects and Modeling of Process Variation and Device Mismatch 263
11.1 Introduction 263
11.2 The Influence of Process Variation and Device Mismatch 264
11.2.1 The Influence of LPVM on Resistors 264
11.2.2 The Influence of LPVM on Capacitors 266
11.2.3 The Influence of LPVM on MOS Transistors 269
CONTENTS ix
11.3 Modeling of Device Mismatch for Analog/RF Applications 271
11.3.1 Modeling of Mismatching of Resistors 271
11.3.2 Mismatching Model of Capacitors 271
11.3.3 Mismatching Models of MOSFETs 273
References 277
12 Quality Assurance of MOSFET Models 279
12.1 Introduction 279
12.2 Motivation 279
12.3 Benchmark Circuits 281
12.3.1 Leakage Currents 282
12.3.2 Transfer Characteristics in Weak and Moderate Inversion 283
12.3.3 Gate Leakage Current 284
12.4 Automation of the Tests 285
References 286
Index 287
· · · · · · (收起)
读后感
用户评价
在我看来，《Device Modelling for Analog and RF CMOS Circuit Design》是一本“不畏惧深入”的书。它敢于挑战那些看似枯燥的数学公式和物理原理，并以一种清晰、有序的方式将它们呈现给读者。这本书对于我理解CMOS器件的跨导（gm）、输出电阻（ro）、输入电容（Cgs, Cgd）等关键参数如何随器件工作点和几何尺寸变化，有着极其重要的指导意义。作者在书中对短沟道效应的数学建模，以及如何在高频下考虑这些效应，让我对MOSFET的复杂行为有了更深刻的认识。我特别喜欢书中关于模型泛化能力的讨论，即一个模型在多大的工艺参数变化范围内仍然有效。这对于跨工艺迁移和设计优化至关重要。书中还对一些新兴的器件模型，例如 FinFET 模型进行了介绍，这让我能够跟上技术发展的步伐。这本书的深度和广度都令人印象深刻，它不仅仅是一本关于CMOS器件模型的书，更是一本关于如何从根本上理解半导体器件的书。
总而言之，《Device Modelling for Analog and RF CMOS Circuit Design》是一本“值得反复品读”的书。随着我设计经验的不断积累，我越来越能体会到书中内容的深邃和价值。每次重读，都能从中发现新的东西，或者对旧有的知识有更深的理解。作者在书中对模型不确定性、模型误差分析以及如何进行模型鲁棒性设计方面的讨论，让我对电路设计的可靠性有了更深刻的认识。书中的很多章节，比如关于热效应模型和陷阱效应模型，虽然我目前还不是直接的受益者，但了解这些知识有助于我理解更广泛的半导体器件行为，并为我未来的职业发展打下基础。这本书不仅仅教会了我如何使用现有的模型，更教会了我如何思考模型的本质，如何根据实际需求去选择、修改甚至开发新的模型。它是一本真正能够提升我作为一名模拟射频工程师综合素质的宝贵财富。
《Device Modelling for Analog and RF CMOS Circuit Design》这本书给我最直观的感受就是“实用性”。在实际的电路设计流程中，我们常常需要根据不同的设计需求，选择合适的器件模型。这本书为我提供了丰富的模型选择和详细的指导。例如，在设计低功耗模拟电路时，书中对各种小信号模型和亚阈值模型的使用进行了详细的讲解，并分析了它们如何影响电路的功耗和性能。在射频电路设计中，我学会了如何利用书中介绍的寄生参数模型和高频噪声模型来优化电路的射频性能。书中的案例研究非常贴近实际工程应用，能够帮助我快速将学到的知识应用到我的项目中。例如，书中关于变容二极管模型和电感模型在射频调谐电路设计中的应用，对我非常有启发。这本书让我感觉自己不仅仅是在学习理论，更是在学习如何在实际工程中解决问题。
这本《Device Modelling for Analog and RF CMOS Circuit Design》真是一本厚重且内容详实的著作，从我翻开它的第一页起，就被深深吸引。我一直对模拟和射频CMOS电路设计有着浓厚的兴趣，但总是感觉在器件模型这一环节上，理解不够深入，就像建楼的地基不牢固，难以建造出高耸入云的大厦。这本书恰恰填补了我在这方面的知识空白。它并非简单地罗列各种模型公式，而是通过一种非常系统和深入的视角，讲解了为什么需要这些模型，它们是如何从物理原理衍生出来的，以及在实际电路设计中，我们应该如何选择和应用它们。作者在介绍MOSFET的各种模型时，比如SPICE模型中的BSIM系列，简直是娓娓道来，从最基础的二极管模型开始，逐步构建起复杂的电流-电压关系，并解释了每一步的物理含义。我尤其欣赏的是书中对模型参数提取过程的详尽阐述，这对于实际的工艺开发和电路仿真至关重要。通过书中给出的例子，我能够理解如何根据实验数据来拟合模型，以及这些参数的意义如何影响电路的性能。它不仅仅是理论的堆砌，更是一种实操指南，让我在学习理论的同时，也能预见到如何在实际工作中应用这些知识。这本书的图文并茂，大量的电路图和仿真波形，使得抽象的模型概念变得生动形象，易于理解。每次阅读都能有所收获，感觉自己对CMOS器件的理解又上了一个台阶，离成为一名优秀的模拟射频工程师又近了一步。
《Device Modelling for Analog and RF CMOS Circuit Design》这本书带来的最大改变，是让我从一个“会画电路图”的人，变成了一个“理解电路为何如此工作”的人。我过去在设计射频功率放大器时，经常会遇到一些难以预测的性能下降，比如失真、噪声或者增益压缩，而通过这本书的学习，我才真正理解这些问题往往根源于器件模型的不准确，或者模型未能充分考虑的非线性效应。书中关于高频模型，特别是S参数模型和Y参数模型的建立过程，以及它们在射频电路分析中的应用，对我来说是“醍醐灌顶”。我学会了如何从物理参数推导出这些高频等效电路参数，并且理解了不同模型在不同频率范围内的适用性。作者在书中对电容模型、电阻模型、电感模型等方面的讲解也十分到位，这些细节往往是影响射频电路性能的关键因素。书中的很多图表都非常精炼，寥寥数笔就能勾勒出复杂的器件特性，让我能够快速抓住重点。我已经开始尝试将书中介绍的模型和分析方法应用到我正在进行的项目中，并且已经看到了初步的成效，仿真结果与实际测量值之间的匹配度有了显著提高。
这本书在我的书架上占有很重要的位置，并且已经被我翻阅了无数次。《Device Modelling for Analog and RF CMOS Circuit Design》不仅仅是一本教科书，更是一本“案头宝典”。在实际项目开发过程中，当我遇到任何与CMOS器件模型相关的疑问时，这本书总能提供清晰、准确的答案。我尤其欣赏书中对各种高级模型，如BSIM-CMG（多晶体管模型）和HBT模型（异质结双极晶体管模型）的介绍，虽然我的主要工作集中在CMOS领域，但了解这些模型有助于我更好地理解整个半导体器件建模的演进过程以及不同器件的优势和劣势。书中对于模型验证和校准的讨论也十分精彩，这涉及到实际的工艺和测量，让理论模型与现实世界建立了紧密的联系。作者详细阐述了如何使用自动化工具进行参数提取，以及如何处理模型的奇异性问题，这些都是在工程实践中非常棘手但又必须解决的问题。通过阅读这本书，我不仅拓宽了视野，更重要的是提升了解决实际工程问题的能力，让我能够更自信地应对各种复杂的电路设计挑战。
《Device Modelling for Analog and RF CMOS Circuit Design》这本书的编排和内容设计，可以说是将理论与实践的完美结合。作者并没有止步于讲解模型本身，而是将大量的篇幅用于说明如何将这些模型应用到具体的模拟和射频电路设计场景中。例如，在设计低噪声放大器（LNA）时，书中会详细介绍如何利用器件模型来分析和优化噪声系数、增益以及输入阻抗匹配。对于混频器设计，它会讲解如何利用模型中的非线性特性来分析三阶交调失真（IMD3）和阻塞效应。我最喜欢的是书中关于寄生参数对射频电路性能影响的分析，比如通过寄生电容和电感对电路的频率响应和稳定性带来的影响，以及如何通过调整器件尺寸和版图来优化这些寄生参数。这些内容对于我从事射频前端模块设计尤为重要。书中的案例分析都非常贴近实际应用，能够帮助我快速理解模型在具体电路设计中的作用。它就像一个宝库，我每次翻阅都能从中挖掘出新的灵感和解决方案。
我对《Device Modelling for Analog and RF CMOS Circuit Design》这本书的评价是：它是一本“化繁为简”的典范。作者在处理复杂的物理方程和器件行为时，总是能够找到最简洁、最直观的表达方式。我最欣赏的是书中对MOSFET的亚阈值区和饱和区行为的详细剖析，以及如何用不同的模型来精确描述这些区域的特性。书中对不同模型（如EKV模型，PSP模型）之间的比较和分析，也帮助我理解了它们各自的优缺点以及适用场景。例如，EKV模型在低电压和亚阈值区的表现尤为出色，而PSP模型则提供了更高的精度。这本书还探讨了模型在不同工艺节点下的适用性，以及随着工艺尺寸的缩小，器件模型需要如何演进。这对于我从事先进工艺节点的电路设计非常有价值。书中大量的图表，不仅美观，而且信息量十足，能够帮助我快速理解复杂的概念。
说实话，在拿到《Device Modelling for Analog and RF CMOS Circuit Design》之前，我曾读过不少关于模拟和射频电路设计的书籍，但大多数都侧重于电路拓扑和设计技巧，对于底层器件模型的探讨总是一笔带过。这本书则完全不同，它将器件模型置于核心地位，深入浅出地剖析了CMOS器件在不同工作区域下的行为特性，并将其映射到各种常用的电路模型中。我最喜欢的是书中对寄生效应的详细讲解，例如沟道长度调制、体效应、短沟道效应等，这些在高速、低功耗射频电路设计中至关重要，但往往被初学者忽视。作者通过清晰的数学推导和直观的图示，揭示了这些效应如何影响器件的跨导、输出电阻以及噪声性能，并进一步说明了如何在电路模型中考虑这些影响。书中还花了大篇幅介绍不同版本的BSIM模型，比如BSIM3, BSIM4，以及它们在精度和计算效率上的权衡。这对于我选择合适的模型进行仿真，并理解仿真结果的准确性非常有帮助。我甚至能感受到作者在编写这本书时，那种将复杂物理概念转化为易于工程师理解和应用的语言的良苦用心。它不仅仅是一本技术书籍，更像是一位经验丰富的导师，循循善诱地引导我深入理解CMOS器件的本质，从而更好地进行电路设计。
《Device Modelling for Analog and RF CMOS Circuit Design》这本书的价值在于，它不仅仅是提供了一堆模型公式，而是教会了我“如何思考”器件模型。在阅读这本书之前，我可能会死记硬背一些模型参数，但不知道它们背后真正的物理含义。通过这本书，我学会了如何从器件的物理结构出发，理解电流和电压之间的关系，以及这些关系是如何被数学模型捕捉到的。例如，书中对漂移电流和扩散电流的详细解释，以及它们在不同工作区域如何主导器件的电流特性，这对于我理解CMOS器件的非线性行为非常有帮助。书中还对电荷守恒和能量守恒等基本物理原理在器件建模中的应用进行了深入探讨。这些基础知识，为我理解更复杂的模型打下了坚实的基础。这本书也让我明白了，一个好的器件模型，不仅要能准确预测器件的I-V特性，还要能够反映其在小信号和噪声性能上的表现。
