《半导器件模型和工艺模型》

第一章 集成电路的计算机模拟概述1

1-1 引言1

1-2 半导体工艺模拟2

1-3 半导体器件模拟9

1-4 电路模拟16

参考文献23

第一篇 半导体器件模型26

第二章 MOS晶体管模型26

2-1 MOS晶体管的静态特性26

2-1-1 简化的模型公式26

2-1-2 耗尽层体电荷对MOS晶体管特性的影响32

2-1-3 MOS晶体管的饱和电压34

2-1-4 MOS晶体管中的沟道长度调制效应35

2-2 MOS晶体管中的电荷存贮38

2-2-1 衬底对源和漏的电容39

2-2-2 栅-沟道电容40

2-2-3 电荷守恒的电容模型44

2-3 MOS晶体管小信号模型46

2-4 MOS晶体管的二级模型48

2-4-1 短沟道对阈值电压的影响49

2-4-2 窄沟道效应52

2-4-3 表面电场对迁移率的影响54

2-4-4 载流子极限漂移速度对饱和电压的影响56

2-4-5 MOS晶体管的弱反型导电57

2-5 MOS晶体管的半经验模型59

2-5-1 阈值电压的半经验公式59

2-5-2 MOS晶体管沟道电流61

2-5-3 表面电场对表面迁移率的影响62

2-5-4 饱和电压公式63

2-5-5 沟道长度调制65

2-5-6 满足电荷守恒的电容模型66

参考文献68

本章符号表70

第三章 双极型晶体管模型74

3-1 直流的Ebers-Moll模型（EM1模型）75

3-1-1 注入型模型75

3-1-2 传输型模型77

3-1-3 两种变型模型80

3-2 晶体管瞬态模型（EM2模型）82

3-2-1 串联电阻的影响83

3-2-2 晶体管中的电荷存贮效应89

3-2-3 交流小信号EM2模型97

3-3 考虑到各种二级效应的EM模型（EM3模型）99

3-3-1 基区宽度调制效应（Early效应）99

3-3 2 小电流效应（Sah效应）103

3-3-3 大注入效应（Webster效应）105

3-3-4 正向时间常数τF随集电极电流Ic的变化108

3-3-5 空间电荷区复合流抗饱和效应109

3-4 Gummel-Poon模型（GP模型）111

3-4-1 GP模型的推导112

3-4-2 GP模型的物理解释120

3-4-3 晶体管瞬态GP模型122

3-4-4 交流小信号GP模型125

3-4-5 GP模型参数的温度关系128

3-5 双极型晶体管的统计模型129

3-5-1 器件模型参数的相关性130

3-5-2 GP模型参数的相关性132

参考文献136

本章符号表138

第四章 其他半导体器件模型142

4-1 二极管模型142

4-1-1 PN结二极管和肖特基二极管模型142

4-1-2 隧道二极管模型148

4-1-3 齐纳（Zener）二极管模型151

4-2 结型场效应晶体管模型155

4-3 单结晶体管模型165

4-3-1 单结晶体管特性及模型166

4-3-2 单结晶体管模型参数的测量170

4-4 可控硅整流器模型176

4-4-1 可控硅整流器的电学特性和模拟方法176

4-4-2 可控硅整流器的双三极管模型179

4-4-3 SCR的EM模型185

参考文献188

第五章 集成注入逻辑电路模型189

5-1 集成注入逻辑电路的工作原理189

5-2 集成注入逻辑门的端子模型192

5-3 集成注入逻辑门的注入模型199

5-3-1 注入模型的构成199

5-3-2 注入模型参数的测量204

5-4 集成注入逻辑集总模型207

参考文献208

第六章 集成电路宏模型210

6-1 模拟集成电路宏模型211

6-1-1 运算放大器宏模型212

6-1-2 宏模型参数和元件值213

6-1-3 比较器的宏模型224

6-2 数字集成电路的宏模型230

6-2-1 TTL与非门的宏模型233

6-2-2 改进的TTL与非门宏模型234

6-2-3 TTL触发器宏模型240

参考文献242

第七章 噪声模型244

7-1 噪声系数和噪声分类244

7-2 半导体器件的噪声模型247

7-2-1 电阻的噪声模型247

7-2-2 晶体二极管噪声模型247

7-2-3 双极型晶体管模型248

7-2-4 场效应晶体管噪声模型250

参考文献251

第二篇 半导体工艺模型254

第八章 离子注入模型254

8-1 基本概念254

8-2 注入离子的能量损失过程257

8-3 注入离子的分布260

8-3-1 LSS理论260

8-3-2 三、五族元素的离子注入参数263

8-4 磷、砷和锑的离子注入分布266

8-5 硼的离子注入分布269

参考文献272

第九章 扩散模型274

9-1 杂质扩散的基本理论274

9-2 非本征硅中的杂质扩散理论276

9-2-1 载流子电场效应276

9-2-2 空位扩散理论277

9-3 三、五族杂质在硅中的扩散283

9-3-1 硼扩散模型284

9-3-2 砷扩散模型287

9-3-3 锑扩散模型291

9-3-4 磷扩散模型292

9-4 氧化硅表面下的扩散298

9-5 界面流300

参考文献302

第十章 热氧化模型304

10-1 热氧化的基本模型304

10-2 晶向对氧化速率的影响312

10-3 氧化剂分压强的影响312

10-4 氯化氢气对氧化速率的影响313

10-5 硅衬底杂质浓度对氧化速率的影响316

参考文献320

第十一章 外延模型322

11-1 硅外延膜的生长322

11-2 外延掺杂327

11-3 自掺杂效应333

参考文献336

附录A 晶体管饱和时间常数τs和存贮时间ts的关系338

附录B 本征晶体管饱和压降V′Csat340

附录C 工艺模拟程序SUPREM-Ⅱ输入语言简介342

附录D 器件分析程序SEDAN的使用说明360

附录E 电路分析程序SPICE-ⅡG输入语言简介372