3.2 Spice器件模型

Spice仿真需要器件的数学模型（Spice model），随着集成电路工艺不断发展，器件物理结构不断变化对性能的影响也越来越大，再加之对模拟集成电路精度的要求越来越高，使得器件模型参数越来越多，器件模型结构也变得越来越复杂。就像半导体工艺由简到繁的过程一样，MOS管的模型也从早期的几个公式和几十行代码，发展到现在的几百个公式和上万行代码，下面简单讨论一下Spice模型的演变历史。

Level 1：1968年出现的第一个MOS模型，即Shichman-Hodges模型，它是所有MOS模型的鼻祖。这个模型比较简单，是教科书中MOS管电流电压二次方关系的翻版，适用于精度要求不高的长沟道（ L ＞10μm）MOS管。

Level 2：1970年出现的考虑了器件二阶效应的半经验MOS模型，适用于长沟道（ L ≈10μm）MOS管。

Level 3：1979年出现的半经验短沟道（ L ＞1μm）MOS模型，模型中加入了短沟道效应的影响，例如漏端引入的势垒降低（Drain Induced Barrier Lowering，DIBL）和横向场造成的迁移率降低等因素。

Level 13：1990年以前出现的BSIM（Berkeley Short-channel IGFET Model），适用于短沟道（ L ≈1.0μm）MOS器件，由加州大学伯克利分校电子系胡正明教授领导的器件模型小组开发。Level 13属于BSIM1，是最早的BSIM版本，为了增加连续性和收敛性，它在MOS管的不同工作区之间加入了平滑过渡曲线。

Level 28：经过修正的BSIM1，可以用于深亚微米工艺（ L ≈0.3～0.5μm），它是HSPICE研发最成功的Spice模型，几乎可以与工艺无缝对接，曾经一度造就了HSPICE早期爆炸式发展的辉煌历史。

Level 39：1990年出现的BSIM2，它是在BSIM1的基础上增加了更多的短沟道效应计算，适用于 L ≈0.2μm工艺。

Level 49：1993年出现的BSIM3v3，它包含了S/D电阻，可以用一个方程描述所有的工作区，结合平滑函数从根本上解决了不连续的问题，适用于 L ≈0.3～0.13μm工艺。

Level 54：2002年出现的BSIM4v6，考虑了栅电流泄漏和非对称S/D电流分布，适用于130nm、90nm和65nm工艺，经过扩展可支持45/40nm、28/23nm和22/20nm工艺。BSIM3v3和BSIM4v6非常成功，几乎成为工业界MOS器件模型的标准。

BSIMCMG：FinFET的出现为摩尔定律向十几纳米及以下推进铺平了道路，BSIMCMG模型就是FinFET模型。

从Spice器件模型的发展历史可以看出，Spice模型的演进与工艺器件的发展基本保持同步，以满足不断减小的工艺尺寸和不断扩大的电路规模对电路仿真提出的迫切要求，确保摩尔定律持续向前推进。 p/ue2bbKCaKDnGQohzHo7DCUlm4luBvCwfUN04y35ysYSBsg2JX8SJUw1pybi5Rp