【信息科学与工程学】计算机科学与自动化——第十篇 芯片设计05 器件物理模型

1. 基础物理模型​

1.1 能带结构模型

1.1.1 近自由电子模型

1.1.1.1 周期势场近似

1.1.1.1.1 能带形成机制

理解能带理论基础

1.1.2 紧束缚近似

1.1.2.1 原子轨道线性组合

1.1.2.1.1 能带宽度计算

适用于窄能带材料

1.1.3 k·p 微扰理论

1.1.3.1 有效质量近似

1.1.3.1.1 能带曲率计算

能带极值附近近似

1.1.4 密度泛函理论

1.1.4.1 局域密度近似

1.1.4.1.1 交换关联泛函

第一性原理计算基础

1.1.5 赝势法

1.1.5.1 平面波基组

1.1.5.1.1 赝势构造

计算效率高

1.1.6 GW近似

1.1.6.1 自能修正

1.1.6.1.1 准粒子能级

更准确能带计算

1.2 载流子统计模型

1.2.1 费米-狄拉克分布

1.2.1.1 载流子浓度

1.2.1.1.1 本征载流子密度

量子统计分布

1.2.2 玻尔兹曼分布

1.2.2.1 非简并近似

1.2.2.1.1 麦克斯韦分布

经典极限

1.2.3 状态密度模型

1.2.3.1 抛物线能带近似

1.2.3.1.1 三维态密度

计算载流子浓度

1.2.4 简并半导体模型

1.2.4.1 费米积分

1.2.4.1.1 高掺杂效应

重掺杂情况

1.3 输运模型

1.3.1 漂移扩散模型

1.3.1.1 电流密度方程

1.3.1.1.1 爱因斯坦关系

传统半导体器件

1.3.2 玻尔兹曼输运方程

1.3.2.1 弛豫时间近似

1.3.2.1.1 动理学方程

微观输运理论

1.3.3 流体动力学模型

1.3.3.1 能量输运方程

1.3.3.1.1 高阶矩方程

非平衡热载流子

1.3.4 蒙特卡洛模拟

1.3.4.1 粒子模拟方法

1.3.4.1.1 散射机制处理

精确但计算量大

1.3.5 量子输运模型

1.3.5.1 非平衡格林函数

1.3.5.1.1 相干输运

纳米尺度器件

1.3.6 跳跃传导模型

1.3.6.1 变程跳跃

1.3.6.1.1 莫特定律

非晶材料、低温

1.4 散射模型

1.4.1 声子散射

1.4.1.1 形变势散射

1.4.1.1.1 声学声子

主要散射机制

1.4.1.2 极性光学声子

1.4.1.2.1 极化散射

极性半导体

1.4.2 电离杂质散射

1.4.2.1 库仑散射

1.4.2.1.1 屏蔽库仑势

低温下重要

1.4.3 中性杂质散射

1.4.3.1 势阱散射

1.4.3.1.1 低浓度影响

低温显著

1.4.4 载流子-载流子散射

1.4.4.1 库仑相互作用

1.4.4.1.1 高注入时重要

高载流子浓度

1.4.5 表面粗糙度散射

1.4.5.1 界面散射

1.4.5.1.1 自相关函数

超薄氧化层

1.4.6 合金散射

1.4.6.1 无序势散射

1.4.6.1.1 三元化合物

如AlGaAs等

1.5 隧穿模型

1.5.1 直接隧穿

1.5.1.1 三角形势垒

1.5.1.1.1 福勒-诺德海姆

薄氧化层隧穿

1.5.2 间接隧穿

1.5.2.1 声子辅助

1.5.2.1.1 二级过程

硅中间接带隙

1.5.3 共振隧穿

1.5.3.1 双势垒结构

1.5.3.1.1 量子阱态

共振隧穿二极管

1.5.4 带间隧穿

1.5.4.1 齐纳隧穿

1.5.4.1.1 高电场下

隧道场效应管

1.6 量子限制模型

1.6.1 无限深势阱

1.6.1.1 波函数量子化

1.6.1.1.1 能级分立

简化模型

1.6.2 有限深势阱

1.6.2.1 束缚态计算

1.6.2.1.1 透射系数

更接近实际

1.6.3 三角形势阱

1.6.3.1 表面反型层

1.6.3.1.1 Airy函数解

MOSFET反型层

1.6.4 量子点模型

1.6.4.1 三维限制

1.6.4.1.1 能级离散化

零维系统

1.7 光学模型

1.7.1 介电函数模型

1.7.1.1 洛伦兹模型

1.7.1.1.1 谐振子模型

描述光与物质作用

1.7.2 吸收系数模型

1.7.2.1 直接跃迁

1.7.2.1.1 吸收边

光吸收过程

1.7.3 复合模型

1.7.3.1 辐射复合

1.7.3.1.1 自发发射

光子发射

1.7.3.2 俄歇复合

1.7.3.2.1 三粒子过程

高载流子浓度

1.8 热力学模型

1.8.1 热传导模型

1.8.1.1 傅里叶定律

1.8.1.1.1 热流方程

热传递基础

1.8.2 焦耳热模型

1.8.2.1 功率耗散

1.8.2.1.1 电阻发热

电流产热

1.8.3 热电效应模型

1.8.3.1 塞贝克效应

1.8.3.1.1 温差生电

热电材料

1.8.4 热载流子模型

1.8.4.1 电子温度模型

1.8.4.1.1 能量弛豫

非平衡载流子

2. 经典器件模型​

2.1 PN结模型

2.1.1 突变结模型

2.1.1.1 耗尽近似

2.1.1.1.1 耗尽区宽度

简化分析

2.1.2 线性缓变结

2.1.2.1 梯度掺杂

2.1.2.1.1 空间分布

扩散形成结

2.1.3 理想二极管方程

2.1.3.1 肖克利方程

2.1.3.1.1 扩散理论

理想I-V特性

2.1.4 非理想二极管

2.1.4.1 复合电流

2.1.4.1.1 SRH复合

非理想因素

2.1.5 电容模型

2.1.5.1 耗尽层电容

2.1.5.1.1 小信号电容

结电容

2.1.6 击穿模型

2.1.6.1 雪崩击穿

2.1.6.1.1 碰撞电离积分

高反向偏压

2.2 双极型晶体管

2.2.1 埃伯斯-莫尔模型

2.2.1.1 传输型模型

2.2.1.1.1 注入理论

早期非线性模型

2.2.2 高木模型

2.2.2.1 电荷控制模型

2.2.2.1.1 积分电荷控制

改进的EM模型

2.2.3 古默尔-普恩模型

2.2.3.1 积分电荷公式

2.2.3.1.1 归一化电荷

包括高注入效应

2.2.4 小信号模型

2.2.4.1 混合π模型

2.2.4.1.1 低频等效电路

交流分析

2.2.5 高频模型

2.2.5.1 电容模型

2.2.5.1.1 扩散电容

频率响应

2.3 结型场效应管

2.3.1 沟道模型

2.3.1.1 渐变沟道近似

2.3.1.1.1 夹断条件

长沟道近似

2.3.2 平方律特性

2.3.2.1 饱和电压

2.3.2.1.1 电流公式

简化I-V特性

2.3.3 小信号模型

2.3.3.1 跨导模型

2.3.3.1.1 输出电导

低频等效电路

2.4 金属半导体接触

2.4.1 肖特基势垒

2.4.1.1 热电子发射

2.4.1.1.1 理查森常数

多数载流子器件

2.4.2 欧姆接触模型

2.4.2.1 隧穿模型

2.4.2.1.1 高掺杂界面

低电阻接触

2.4.3 镜像力降低

2.4.3.1 势垒降低效应

2.4.3.1.1 肖特基降低

高电场下

2.5 异质结模型

2.5.1 能带对齐

2.5.1.1 电子亲和能规则

2.5.1.1.1 能带偏移

界面能带结构

2.5.2 二维电子气

2.5.2.1 调制掺杂

2.5.2.1.1 高迁移率

HEMT基础

2.5.3 异质结双极晶体管

2.5.3.1 宽禁带发射极

2.5.3.1.1 高注入效率

高速应用

2.6 功率器件模型

2.6.1 功率MOSFET

2.6.1.1 垂直结构

2.6.1.1.1 导通电阻

高压大电流

2.6.2 IGBT模型

2.6.2.1 电导调制

2.6.2.1.1 双极导通

功率开关

2.6.3 晶闸管模型

2.6.3.1 四层结构

2.6.3.1.1 双稳态

大功率控制

3. MOS器件模型​

3.1 长沟道模型

3.1.1 萨支唐模型

3.1.1.1 缓变沟道近似

3.1.1.1.1 平方律公式

经典MOSFET模型

3.1.2 表面势模型

3.1.2.1 泊松方程解

3.1.2.1.1 电荷控制

更精确描述

3.1.3 电容-电压模型

3.1.3.1 低频C-V

3.1.3.1.1 积累到反型

界面态分析

3.2 短沟道模型

3.2.1 速度饱和

3.2.1.1 电场依赖迁移率

3.2.1.1.1 临界电场

短沟道效应

3.2.2 沟道长度调制

3.2.2.1 有效沟道长度

3.2.2.1.1 夹断区扩展

输出电导

3.2.3 阈值电压滚降

3.2.3.1 电荷分享模型

3.2.3.1.1 短沟效应

阈值电压降低

3.2.4 漏致势垒降低

3.2.4.1 二维电势分布

3.2.4.1.1 静电耦合

亚阈值斜率退化

3.3 BSIM系列模型

3.3.1 BSIM3v3

3.3.1.1 体效应模型

3.3.1.1.1 经验公式

0.25μm以上

3.3.2 BSIM4

3.3.2.1 栅极漏电

3.3.2.1.1 直接隧穿

纳米级MOSFET

3.3.3 BSIM-CMG

3.3.3.1 多栅结构

3.3.3.1.1 体电势模型

FinFET模型

3.3.4 BSIM-IMG

3.3.4.1 独立多栅

3.3.4.1.1 背部栅控

UTBB-FDSOI

3.4 PSP模型

3.4.1 表面势模型

3.4.1.1 对称线性化

3.4.1.1.1 连续模型

工业标准之一

3.4.2 量子效应

3.4.2.1 量子修正

3.4.2.1.1 能级量子化

超薄氧化层

3.5 EKV模型

3.5.1 弱反型模型

3.5.1.1 亚阈值电流

3.5.1.1.1 扩散电流

低功耗设计

3.5.2 对称线性化

3.5.2.1 单表达式

3.5.2.1.1 连续函数

全区域连续

3.6 非准静态模型

3.6.1 沟道分割模型

3.6.1.1 分段近似

3.6.1.1.1 瞬态响应

高频应用

3.6.2 分布式RC模型

3.6.2.1 传输线模型

3.6.2.1.1 延迟效应

精确瞬态

3.7 统计模型

3.7.1 工艺角模型

3.7.1.1 快/慢/典型

3.7.1.1.1 参数变化

工艺波动

3.7.2 统计紧凑模型

3.7.2.1 蒙特卡洛

3.7.2.1.1 相关参数

统计设计

4. 先进器件模型​

4.1 多栅器件

4.1.1 FinFET模型

4.1.1.1 三维静电学

4.1.1.1.1 多沟道控制

主流纳米器件

4.1.2 纳米线环栅

4.1.2.1 圆柱对称

4.1.2.1.1 全包围栅

更好静电控制

4.1.3 纳米片模型

4.1.3.1 多层堆叠

4.1.3.1.1 静电控制

未来技术节点

4.2 隧道场效应管

4.2.1 带间隧穿模型

4.2.1.1 能带弯曲

4.2.1.1.1 陡峭亚阈值

低功耗潜力

4.2.2 开态电流模型

4.2.2.1 隧穿概率

4.2.2.1.1 透射系数

关键性能指标

4.3 负电容晶体管

4.3.1 铁电电容模型

4.3.1.1 迟滞特性

4.3.1.1.1 负微分电容

亚阈值摆幅突破

4.3.2 铁电材料模型

4.3.2.1 朗道理论

4.3.2.1.1 自由能展开

铁电物理

4.4 自旋器件

4.4.1 磁隧道结模型

4.4.1.1 隧穿磁阻

4.4.1.1.1 磁化方向

MRAM存储单元

4.4.2 自旋转移矩

4.4.2.1 自旋极化电流

4.4.2.1.1 磁化翻转

自旋力矩转移

4.4.3 自旋轨道耦合

4.4.3.1 自旋霍尔效应

4.4.3.1.1 电荷-自旋转换

自旋产生与探测

4.5 新型存储器

4.5.1 阻变存储器模型

4.5.1.1 导电细丝模型

4.5.1.1.1 电化学过程

ReRAM, CBRAM

4.5.2 相变存储器模型

4.5.2.1 晶态-非晶态

4.5.2.1.1 热诱导相变

PCM, PRAM

4.5.3 铁电存储器模型

4.5.3.1 极化翻转

4.5.3.1.1 铁电迟滞

FeRAM, FeFET

4.6 光电器件

4.6.1 光电二极管

4.6.1.1 光生电流

4.6.1.1.1 量子效率

光探测

4.6.2 太阳能电池

4.6.2.1 等效电路

4.6.2.1.1 单二极管模型

光电转换

4.6.3 发光二极管

4.6.3.1 辐射复合

4.6.3.1.1 内量子效率

电光转换

4.7 传感器件

4.7.1 MEMS模型

4.7.1.1 机械-电耦合

4.7.1.1.1 弹簧-质量-阻尼

微机电系统

4.7.2 生物传感器

4.7.2.1 表面结合模型

4.7.2.1.1 亲和力常数

生物分子检测

4.7.3 气体传感器

4.7.3.1 表面吸附模型

4.7.3.1.1 电导变化

化学传感器

5. 量子器件模型​

5.1 单电子器件

5.1.1 库仑阻塞

5.1.1.1 单电子隧穿

5.1.1.1.1 充电能效应

纳米尺度电荷离散

5.1.2 单电子晶体管

5.1.2.1 岛电荷模型

5.1.2.1.1 周期振荡

纳米电子学

5.2 量子点器件

5.2.1 能级量子化

5.2.1.1 三维限制

5.2.1.1.1 能级分裂

人造原子

5.2.2 量子点接触

5.2.2.1 弹道输运

5.2.2.1.1 电导量子化

一维约束

5.3 量子比特器件

5.3.1 超导量子比特

5.3.1.1 约瑟夫森结

5.3.1.1.1 量子振荡

量子计算

5.3.2 自旋量子比特

5.3.2.1 单自旋操控

5.3.2.1.1 电子自旋

固态量子计算

5.4 拓扑绝缘体器件

5.4.1 表面态模型

5.4.1.1 狄拉克锥

5.4.1.1.1 拓扑保护

无背散射输运

5.5 二维材料器件

5.5.1 石墨烯器件

5.5.1.1 狄拉克费米子

5.5.1.1.1 线性能带

高迁移率

5.5.2 过渡金属硫化物

5.5.2.1 直接带隙

5.5.2.1.1 层数依赖

光电器件

6. 寄生效应模型​

6.1 电阻模型

6.1.1 方块电阻

6.1.1.1 薄层电阻

6.1.1.1.1 四探针法

薄膜电阻

6.1.2 接触电阻

6.1.2.1 传输线法

6.1.2.1.1 比接触电阻

金属-半导体接触

6.1.3 扩散电阻

6.1.3.1 掺杂分布

6.1.3.1.1 方块电阻计算

有源区电阻

6.2 电容模型

6.2.1 平板电容

6.2.1.1 平行板近似

6.2.1.1.1 边缘效应修正

理想电容

6.2.2 边缘电容

6.2.2.1 二维场求解

6.2.2.1.1 保角变换

非理想几何

6.2.3 耦合电容

6.2.3.1 线间电容

6.2.3.1.1 串扰分析

互连线间耦合

6.3 电感模型

6.3.1 导线自感

6.3.1.1 部分电感

6.3.1.1.1 回路电感

高频效应

6.3.2 互感模型

6.3.2.1 邻近效应

6.3.2.1.1 互感计算

耦合电感

6.4 衬底耦合

6.4.1 衬底电阻网络

6.4.1.1 少数载流子扩散

6.4.1.1.1 集总模型

衬底噪声耦合

6.4.2 衬底电容耦合

6.4.2.1 结电容

6.4.2.1.1 耗尽区电容

交流耦合

6.5 热模型

6.5.1 热阻网络

6.5.1.1 傅里叶定律

6.5.1.1.1 稳态热传导

温度分布

6.5.2 自热效应

6.5.2.1 局部温升

6.5.2.1.1 焦耳热

功率耗散

6.6 噪声模型

6.6.1 热噪声

6.6.1.1 奈奎斯特公式

6.6.1.1.1 电阻噪声

温度相关

6.6.2 散粒噪声

6.6.2.1 泊松过程

6.6.2.1.1 电流涨落

载流子离散性

6.6.3 闪烁噪声

6.6.3.1 1/f噪声

6.6.3.1.1 载流子捕获

低频噪声

7. 可靠性模型​

7.1 热载流子注入

7.1.1 碰撞电离

7.1.1.1 电离积分

7.1.1.1.1 能量分布

高电场损伤

7.1.2 界面态产生

7.1.2.1 氢键断裂

7.1.2.1.1 缺陷密度

阈值电压漂移

7.2 负偏置温度不稳定性

7.2.1 反应扩散模型

7.2.1.1 氢扩散

7.2.1.1.1 界面陷阱

PMOS退化

7.2.2 恢复效应

7.2.2.1 氢再结合

7.2.2.1.1 可恢复性

部分恢复

7.3 经时介质击穿

7.3.1 空穴注入模型

7.3.1.1 空穴俘获

7.3.1.1.1 缺陷产生

栅氧退化

7.3.2 统计分析

7.3.2.1 威布尔分布

7.3.2.1.1 寿命分布

统计特性

7.4 电迁移模型

7.4.1 原子流散

7.4.1.1 风力项

7.4.1.1.1 电子风力

金属线失效

7.4.2 黑方程

7.4.2.1 激活能

7.4.2.1.1 温度依赖

寿命模型

7.5 辐射效应

7.5.1 总剂量效应

7.5.1.1 电离损伤

7.5.1.1.1 氧化物陷阱

累积损伤

7.5.2 单粒子效应

7.5.2.1 电荷收集

7.5.2.1.1 漏斗效应

瞬时扰动

7.6 老化模型

7.6.1 寿命预测

7.6.1.1 阿伦尼乌斯模型

7.6.1.1.1 加速因子

加速测试

7.6.2 统计模型

7.6.2.1 对数正态分布

7.6.2.1.1 失效时间分布

统计预测

8. 紧凑模型​

8.1 建模方法

8.1.1 物理基模型

8.1.1.1 物理方程推导

8.1.1.1.1 从物理原理

物理基础好

8.1.2 经验模型

8.1.2.1 参数拟合

8.1.2.1.1 实验数据拟合

计算简单

8.1.3 表基模型

8.1.3.1 查找表

8.1.3.1.1 插值计算

精度高

8.2 模型提取

8.2.1 直流参数提取

8.2.1.1 阈值电压

8.2.1.1.1 线性外推

基本参数

8.2.2 电容参数提取

8.2.2.1 C-V测量

8.2.2.1.1 高频C-V

电容参数

8.2.3 射频参数提取

8.2.3.1 S参数测量

8.2.3.1.1 去嵌入

高频特性

8.3 模型验证

8.3.1 直流验证

8.3.1.1 IV曲线拟合

8.3.1.1.1 全偏置范围

静态特性

8.3.2 瞬态验证

8.3.2.1 开关特性

8.3.2.1.1 大信号开关

动态特性

8.3.3 统计验证

8.3.3.1 工艺角覆盖

8.3.3.1.1 蒙特卡洛

统计分布

8.4 标准模型格式

8.4.1 SPICE模型

8.4.1.1 Berkeley格式

8.4.1.1.1 网表格式

电路仿真

8.4.2 Verilog-A模型

8.4.2.1 行为级描述

8.4.2.1.1 硬件描述语言

混合信号仿真

8.5 模型缩放

8.5.1 几何缩放

8.5.1.1 宽度长度缩放

8.5.1.1.1 连续缩放

不同尺寸器件

8.5.2 工艺缩放

8.5.2.1 工艺节点缩放

8.5.2.1.1 经验公式

技术代际迁移

1.1.1 近自由电子模型

2.1.1 突变结模型

中

能带理论是PN结形成的基础

1.2.1 费米-狄拉克分布

2.1.3 理想二极管方程

高

二极管方程基于费米统计推导

1.3.1 漂移扩散模型

3.1.1 萨支唐模型

高

萨支唐模型基于漂移扩散方程

1.4.1 声子散射模型

1.3.2 玻尔兹曼输运方程

高

玻尔兹曼方程中散射项由声子散射决定

1.5.1 直接隧穿模型

3.3.2 BSIM4栅极漏电

高

纳米MOSFET栅极漏电主要是直接隧穿

2.2.3 古默尔-普恩模型

2.1.3 理想二极管方程

中

GP模型扩展了理想二极管方程，包括高注入效应

3.2.4 漏致势垒降低

1.6.1 无限深势阱

中

量子限制效应影响短沟道器件阈值电压

4.1.1 FinFET模型

1.6.2 有限深势阱

高

FinFET沟道是三维势阱，需有限深势阱模型

4.2.1 带间隧穿模型

1.5.4 带间隧穿

高

隧道场效应管基于带间隧穿原理

4.4.1 磁隧道结模型

1.5.1 直接隧穿模型

中

磁隧道结中的隧穿是自旋极化的直接隧穿

5.1.1 库仑阻塞

1.5.3 共振隧穿

中

两者都涉及量子隧穿，但库仑阻塞强调电荷离散性

6.1.2 接触电阻模型

2.4.2 欧姆接触模型

高

欧姆接触的电阻由接触电阻模型描述

7.1.1 碰撞电离模型

2.1.6 雪崩击穿

高

雪崩击穿是碰撞电离的宏观表现

8.1.1 物理基模型

1.3.1 漂移扩散模型

高

物理基模型基于漂移扩散等物理方程

1.3.5 量子输运模型

5.1.1 库仑阻塞

高

量子点器件需要量子输运理论描述单电子隧穿

1.7.3 复合模型

4.6.3 发光二极管模型

高

LED发光基于辐射复合模型

2.5.2 二维电子气模型

4.1.1 FinFET模型

中

FinFET沟道中可能形成二维电子气

3.3.3 BSIM-CMG模型

4.1.1 FinFET模型

高

BSIM-CMG是FinFET的紧凑模型

3.5.1 弱反型模型

4.2.1 带间隧穿模型

低

两者都关注低电压工作，但物理机制不同

4.3.1 铁电电容模型

1.8.3 热电效应模型

低

铁电材料也可能有热电效应，但通常分开研究

4.5.1 阻变存储器模型

1.5.1 直接隧穿模型

中

阻变存储器中的导电细丝可能涉及隧穿机制

6.6.1 热噪声模型

1.8.1 热传导模型

中

热噪声与热平衡相关，热传导决定温度分布

7.2.1 反应扩散模型

1.4.1 声子散射模型

低

NBTI涉及氢扩散，与声子散射无直接关系

8.2.1 直流参数提取

3.7.1 工艺角模型

高

参数提取为工艺角模型提供数据

2.1.3 理想二极管方程

1.2.1 费米-狄拉克分布

高

二极管方程从费米统计推导而来

3.1.1 萨支唐模型

1.3.1 漂移扩散模型

高

萨支唐模型基于漂移扩散方程的简化

3.2.1 速度饱和模型

1.4.1 声子散射模型

中

速度饱和与高电场下声子散射增强有关

4.1.1 FinFET模型

1.6.2 有限深势阱模型

高

FinFET的量子限制效应需有限深势阱描述

4.2.2 开态电流模型

1.5.4 带间隧穿模型

高

隧道晶体管开态电流由带间隧穿概率决定

4.3.1 铁电电容模型

4.3.2 铁电材料模型

高

铁电电容行为由铁电材料的极化特性决定

5.1.2 单电子晶体管模型

5.1.1 库仑阻塞模型

高

单电子晶体管工作原理基于库仑阻塞

6.5.2 自热效应模型

1.8.2 焦耳热模型

高

自热是焦耳热在器件局部的表现

7.3.1 空穴注入模型

1.5.1 直接隧穿模型

中

栅氧击穿中的空穴注入涉及隧穿过程

8.3.1 直流验证

8.2.1 直流参数提取

高

模型验证需要先提取参数

1.2.1 费米-狄拉克分布

1.2.2 玻尔兹曼分布

中

费米-狄拉克适用于量子统计，玻尔兹曼适用于经典极限，适用条件不同

1.3.1 漂移扩散模型

1.3.5 量子输运模型

高

漂移扩散是经典宏观模型，量子输运是微观量子模型，物理基础不同

2.1.3 理想二极管方程

2.1.4 非理想二极管

低

理想模型忽略复合产生电流，非理想模型包含，是不同精度的近似

3.1.1 萨支唐模型

3.3.1 BSIM3v3模型

中

萨支唐是简单解析模型，BSIM是复杂经验模型，精度和应用范围不同

4.1.1 FinFET模型

3.1.1 萨支唐模型

高

萨支唐模型只适用于平面长沟道MOSFET，不适用于FinFET

4.2.1 带间隧穿模型

3.2.1 速度饱和模型

高

隧道晶体管基于量子隧穿，传统MOSFET基于漂移扩散，物理机制不同

5.1.1 库仑阻塞模型

1.3.1 漂移扩散模型

高

库仑阻塞是量子效应，漂移扩散是经典连续模型，无法描述电荷离散性

6.6.2 散粒噪声模型

6.6.1 热噪声模型

低

两者是不同类型的噪声，物理起源不同，但可同时存在

7.1.1 碰撞电离模型

7.2.1 反应扩散模型

中

描述不同的退化机制，可能同时发生但不互斥

8.1.1 物理基模型

8.1.2 经验模型

中

建模哲学不同，物理基从第一性原理出发，经验模型基于数据拟合

平面MOSFET

1.3.1漂移扩散, 1.4.1声子散射, 3.2.1速度饱和

3.3.1 BSIM3v3, 3.3.2 BSIM4

数字电路, 模拟电路

FinFET

1.6.2有限深势阱, 3.2.4漏致势垒降低, 4.1.1 FinFET模型

3.3.3 BSIM-CMG

先进工艺数字电路

隧道场效应管

1.5.4带间隧穿, 4.2.1带间隧穿模型

4.2.2开态电流模型

低功耗电路

负电容晶体管

4.3.1铁电电容模型, 4.3.2铁电材料模型

扩展的BSIM模型

超低功耗逻辑

阻变存储器

4.5.1导电细丝模型, 1.5.1直接隧穿

行为级模型

非易失存储

磁隧道结

4.4.1隧穿磁阻, 4.4.2自旋转移矩

1.5.1直接隧穿模型扩展

MRAM存储器

发光二极管

1.7.3辐射复合, 4.6.3发光二极管模型

SPICE二极管模型扩展

显示, 照明

太阳能电池

1.7.2吸收系数模型, 4.6.2太阳能电池模型

单二极管/双二极管模型

光伏发电

量子点器件

5.1.1库仑阻塞, 5.2.1能级量子化

基于NEGF的量子模型

量子计算, 单电子器件

功率MOSFET

2.6.1垂直结构模型, 6.5.2自热效应

功率MOSFET专用模型

功率电子

第一性原理

极高

极高

材料设计, 基础研究

1.1.4密度泛函理论, 1.1.6 GW近似

量子输运

很高

很高

纳米器件, 量子器件

1.3.5量子输运模型, 5.1.1库仑阻塞

玻尔兹曼输运

高

高

输运机制研究, 器件优化

1.3.2玻尔兹曼方程, 1.3.4蒙特卡洛

漂移扩散

中

中

传统器件仿真, TCAD

1.3.1漂移扩散模型

紧凑模型

低-中

低

电路仿真, 设计

3.3.2 BSIM4, 3.4.1 PSP模型

行为级模型

低

极低

系统级仿真, 架构设计

8.4.2 Verilog-A模型

经验模型

可变

低

快速评估, 拟合实验

8.1.2经验模型, 8.1.3表基模型

1970s前

2.1.3理想二极管, 3.1.1萨支唐模型

微米级器件, 长沟道

忽略短沟道效应, 量子效应

加入速度饱和, 沟道长度调制

1980s

2.2.3古默尔-普恩, 3.2.1速度饱和模型

亚微米器件, 电路集成

忽略量子效应, 热载流子效应

加入量子修正, 热载流子模型

1990s

3.3.1 BSIM3v3, 3.4.1 PSP模型

深亚微米, 电路复杂性增加

对纳米器件精度不足

发展BSIM4, 加入量子力学修正

2000s

3.3.2 BSIM4, 1.5.1直接隧穿模型

纳米级, 栅极漏电显著

对多栅结构不适用

发展FinFET模型, 多栅器件模型

2010s

3.3.3 BSIM-CMG, 4.1.1 FinFET模型

FinFET量产, 三维结构

对新型器件不适用

发展隧道晶体管, 负电容晶体管模型

2020s

4.2.1带间隧穿模型, 4.3.1铁电电容模型

超越CMOS器件探索

新物理机制, 模型不成熟

统一模型框架, 机器学习辅助建模

未来

1.3.5量子输运模型, 5.3.1超导量子比特模型

量子计算, 新材料器件

计算复杂度高, 物理机制复杂

多尺度建模, AI/ML加速