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HSPICE MOSFET Models ManualVersion X-2005.09, September 2005
Copyright Notice and Proprietary InformationCopyright 2005 Synopsys, Inc. All rights reserved. This software and documentation contain confidential and proprietaryinformation that is the property of Synopsys, Inc. The software and documentation are furnished under a license agreement andmay be used or copied only in accordance with the terms of the license agreement. No part of the software and documentation maybe reproduced, transmitted, or translated, in any form or by any means, electronic, mechanical, manual, optical, or otherwise, withoutprior written permission of Synopsys, Inc., or as expressly provided by the license agreement.Right to Copy DocumentationThe license agreement with Synopsys permits licensee to make copies of the documentation for its internal use only.Each copy shall include all copyrights, trademarks, service marks, and proprietary rights notices, if any. Licensee mustassign sequential numbers to all copies. These copies shall contain the following legend on the cover page:“This document is duplicated with the permission of Synopsys, Inc., for the exclusive use ofand its employees. This is copy number .”Destination Control StatementAll technical data contained in this publication is subject to the export control laws of the United States of America.Disclosure to nationals of other countries contrary to United States law is prohibited. It is the reader’s responsibility todetermine the applicable regulations and to comply with them.DisclaimerSYNOPSYS, INC., AND ITS LICENSORS MAKE NO WARRANTY OF ANY KIND, EXPRESS OR IMPLIED, WITHREGARD TO THIS MATERIAL, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE IMPLIED WARRANTIES OFMERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.Registered Trademarks ( )Synopsys, AMPS, Arcadia, C Level Design, C2HDL, C2V, C2VHDL, Cadabra, Calaveras Algorithm, CATS, CRITIC,CSim, Design Compiler, DesignPower, DesignWare, EPIC, Formality, HSIM, HSPICE, Hypermodel, iN-Phase, in-Sync,Leda, MAST, Meta, Meta-Software, ModelTools, NanoSim, OpenVera, PathMill, Photolynx, Physical Compiler, PowerMill,PrimeTime, RailMill, RapidScript, Saber, SiVL, SNUG, SolvNet, Superlog, System Compiler, Testify, TetraMAX, TimeMill,TMA, VCS, Vera, and Virtual Stepper are registered trademarks of Synopsys, Inc.Trademarks ( )Active Parasitics, AFGen, Apollo, Apollo II, Apollo-DPII, Apollo-GA, ApolloGAII, Astro, Astro-Rail, Astro-Xtalk, Aurora,AvanTestchip, AvanWaves, BCView, Behavioral Compiler, BOA, BRT, Cedar, ChipPlanner, Circuit Analysis, Columbia,Columbia-CE, Comet 3D, Cosmos, CosmosEnterprise, CosmosLE, CosmosScope, CosmosSE, Cyclelink, Davinci, DCExpert, DC Expert Plus, DC Professional, DC Ultra, DC Ultra Plus, Design Advisor, Design Analyzer, Design Vision,DesignerHDL, DesignTime, DFM-Workbench, Direct RTL, Direct Silicon Access, Discovery, DW8051, DWPCI,Dynamic-Macromodeling, Dynamic Model Switcher, ECL Compiler, ECO Compiler, EDAnavigator, Encore, Encore PQ,Evaccess, ExpressModel, Floorplan Manager, Formal Model Checker, FoundryModel, FPGA Compiler II, FPGA Express,Frame Compiler, Galaxy, Gatran, HANEX, HDL Advisor, HDL Compiler, Hercules, Hercules-Explorer, Hercules-II,Hierarchical Optimization Technology, High Performance Option, HotPlace, HSIMplus, HSPICE-Link, iN-Tandem,Integrator, Interactive Waveform Viewer, i-Virtual Stepper, Jupiter, Jupiter-DP, JupiterXT, JupiterXT-ASIC, JVXtreme,Liberty, Libra-Passport, Library Compiler, Libra-Visa, Magellan, Mars, Mars-Rail, Mars-Xtalk, Medici, Metacapture,Metacircuit, Metamanager, Metamixsim, Milkyway, ModelSource, Module Compiler, MS-3200, MS-3400, Nova ProductFamily, Nova-ExploreRTL, Nova-Trans, Nova-VeriLint, Nova-VHDLlint, Optimum Silicon, Orion ec, Parasitic View,Passport, Planet, Planet-PL, Planet-RTL, Polaris, Polaris-CBS, Polaris-MT, Power Compiler, PowerCODE, PowerGate,ProFPGA, ProGen, Prospector, Protocol Compiler, PSMGen, Raphael, Raphael-NES, RoadRunner, RTL Analyzer,Saturn, ScanBand, Schematic Compiler, Scirocco, Scirocco-i, Shadow Debugger, Silicon Blueprint, Silicon Early Access,SinglePass-SoC, Smart Extraction, SmartLicense, SmartModel Library, Softwire, Source-Level Design, Star, Star-DC,Star-MS, Star-MTB, Star-Power, Star-Rail, Star-RC, Star-RCXT, Star-Sim, Star-SimXT, Star-Time, Star-XP, SWIFT,Taurus, TimeSlice, TimeTracker, Timing Annotator, TopoPlace, TopoRoute, Trace-On-Demand, True-Hspice,TSUPREM-4, TymeWare, VCS Express, VCSi, Venus, Verification Portal, VFormal, VHDL Compiler, VHDL SystemSimulator, VirSim, and VMC are trademarks of Synopsys, Inc.Service Marks (SM)MAP-in, SVP Café, and TAP-in are service marks of Synopsys, Inc.SystemC is a trademark of the Open SystemC Initiative and is used under license.ARM and AMBA are registered trademarks of ARM Limited.All other product or company names may be trademarks of their respective owners.Printed in the U.S.A.HSPICE MOSFET Models Manual, X-2005.09iiHSPICE MOSFET Models ManualX-2005.09
Contents1.2.Inside This Manual. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .xiiiThe HSPICE Documentation Set. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .xivSearching Across the HSPICE Documentation Set. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .xvOther Related Publications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .xviConventions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .xviCustomer Support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .xviiOverview of MOSFET Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1Overview of MOSFET Model Types. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3Selecting Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3Selecting MOSFET Model LEVELs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4Selecting MOSFET Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7Selecting MOS Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9Searching Models as Function of W, L. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9Setting MOSFET Control Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Scaling Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Scaling for LEVEL 25 and 33 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Bypassing Latent Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10111212General MOSFET Model Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13MOSFET Output Templates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14Technical Summary of MOSFET Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27Nonplanar and Planar Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27Nonplanar techonology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27Planar techonology: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28Field Effect Transistors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28MOSFET Equivalent Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32HSPICE MOSFET Models ManualX-2005.09iii
ContentsivEquation Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Using the MOSFET Current Convention . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Using MOSFET Equivalent Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .323435MOSFET Diode Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39Selecting MOSFET Diode Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39Enhancing Convergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39MOSFET Diode Model Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40Using an ACM 0 MOS Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Calculating Effective Areas and Peripheries . . . . . . . . . . . . . . . . . .Calculating Effective Saturation Current. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Calculating Effective Drain and Source Resistances . . . . . . . . . . . .43454545Using an ACM 1 MOS Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Calculating Effective Areas and Peripheries . . . . . . . . . . . . . . . . . .Calculating Effective Saturation Current. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Calculating Effective Drain and Source Resistances . . . . . . . . . . . .46474848Using an ACM 2 MOS Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Calculating Effective Areas and Peripheries . . . . . . . . . . . . . . . . . .Calculating Effective Saturation Currents. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Calculating Effective Drain and Source Resistances . . . . . . . . . . . .49515152Using an ACM 3 MOS Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Calculating Effective Areas and Peripheries . . . . . . . . . . . . . . . . . .Effective Saturation Current Calculations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Effective Drain and Source Resistances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52535454MOS Diode Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55DC Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55Using MOS Diode Capacitance Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55Common Threshold Voltage Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58Common Threshold Voltage Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58Calculating PHI, GAMMA, and VTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59MOSFET Impact Ionization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60Calculating the Impact Ionization Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61Calculating Effective Output Conductance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62Cascoding Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63Cascode Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64MOS Gate Capacitance Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64Selecting Capacitor Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64Transcapacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66Operating Point Capacitance Printout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68Element Template Printout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69HSPICE MOSFET Models ManualX-2005.09
ContentsCalculating Gate Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Input File. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Plotting Gate Capacitances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Capacitance Control Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Scaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71717172727373MOS Gate Capacitance Model Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74Specifying XQC and XPART for CAPOP 4, 9, 11, 12, 13 . . . . . . . . . . . .77Overlap Capacitance Equations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77CAPOP 0 — SPICE Meyer Gate Capacitances . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Gate-Bulk Capacitance (cgb) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Gate-Source Capacitance (cgs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Gate-Drain Capacitance (cgd) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78787979CAPOP 1 — Modified Meyer Gate Capacitances. . . . . . . . . . . . . . . . . .Gate-Bulk Capacitance (cgb) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Gate-Source Capacitance (cgs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Gate-Drain Capacitance (cgd) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80808182CAPOP 2—Parameterized Modified Meyer Capacitance . . . . . . . . . . . .Gate-Bulk Capacitance (cgb) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Gate-Source Capacitance (cgs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Gate-Drain Capacitance (cgd) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83838485CAPOP 3 — Gate Capacitances (Simpson Integration) . . . . . . . . . . . . .86CAPOP 4 — Charge Conservation Capacitance Model . . . . . . . . . . . . .88CAPOP 5 — No Gate Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92CAPOP 6 — AMI Gate Capacitance Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93CAPOP 11 — Ward-Dutton model specialized (LEVEL 2) . . . . . . . . . . .95CAPOP 12 — Ward-Dutton model specialized (LEVEL 3) . . . . . . . . . . .95CAPOP 13 — BSIM1-based Charge-Conserving Gate Capacitance Model95CAPOP 39 — BSIM2 Charge-Conserving Gate Capacitance Model . . .95Calculating Effective Length and Width for AC Gate Capacitance. . . . . .95Noise Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .96Temperature Parameters and Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .98Temperature Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .MOS Temperature Coefficient Sensitivity Parameters . . . . . . . . . . .98100Temperature Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Energy Gap Temperature Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Saturation Current Temperature Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . .MOS Diode Capacitance Temperature Equations . . . . . . . . . . . . . .Surface Potential Temperature Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Threshold Voltage Temperature Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101101102102104105HSPICE MOSFET Models ManualX-2005.09v
Contents3.4.viMobility Temperature Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Channel Length Modulation Temperature Equation . . . . . . . . . . . . .Calculating Diode Resistance Temperature Equations . . . . . . . . . .105105106Common MOSFET Model Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .107Basic MOSFET Model Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .108Standard MOSFET Models: Level 1 to 40 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .127LEVEL 1 IDS: Schichman-Hodges Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .128LEVEL 1 Model Parameters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .128LEVEL 1 Model Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .IDS Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Effective Channel Length and Width . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .128128129LEVEL 2 IDS: Grove-Frohman Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130LEVEL 2 Model Parameters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130LEVEL 2 Model Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .IDS Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Effective Channel Length and Width . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Threshold Voltage, vth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Saturation Voltage, vdsat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Mobility Reduction, ueff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Channel Length Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Subthreshold Current, Ids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130130131131LEVEL 3 IDS: Empirical Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .136LEVEL 3 Model Parameters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .136LEVEL 3 Model Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .IDS Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Effective Channel Length and Width . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Threshold Voltage, vth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Saturation Voltage, vdsat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Effective Mobility, ueff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Channel Length Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Subthreshold Current, Ids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .136136137137138138139Compatibility Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Synopsys Device Model versus SPICE3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .141141Temperature Compensation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Simulation results: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142143LEVEL 4 IDS: MOS Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .143132132133135140HSPICE MOSFET Models ManualX-2005.09
ContentsLEVEL 5 IDS Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144LEVEL 5 Model Parameters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144IDS Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Effective Channel Length and Width . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Threshold Voltage, vth. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Saturation Voltage, vdsat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Mobility Reduction, UBeff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Channel Length Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Subthreshold Current, Ids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145146Depletion Mode DC Model ZENH 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .149IDS Equations, Depletion Model LEVEL 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Threshold Voltage, vth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Saturation Voltage, vdsat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Mobility Reduction, UBeff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Channel Length Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Subthreshold Current, Ids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150151153153153LEVEL 6/LEVEL 7 IDS: MOSFET Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .155LEVEL 6 and LEVEL 7 Model Parameters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .155UPDATE Parameter for LEVEL 6 and LEVEL 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .156LEVEL 6 Model Equations, UPDATE 0,2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .IDS Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Effective Channel Length and Width . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Threshold Voltage, vth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Single-Gamma, VBO 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Effective Built-in Voltage, vbi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Multi-Level Gamma, VBO 0. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Effective Built-in Voltage, vbi for VBO 0. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Saturation Voltage, vdsat (UPDATE 0,2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Saturation Voltage, vsat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .159159159159160160161163163167LEVEL 6 IDS Equations, UPDATE 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Alternate DC Model (ISPICE model) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Subthreshold Current, ids. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Effective Mobility, ueff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Channel Length Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .168168169171175ASPEC Compatibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .180LEVEL 7 IDS Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181146147147148148154LEVEL 8 IDS Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .182LEVEL 8 Model Parameters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .182LEVEL 8 Model Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .IDS Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Effective Channel Length and Width . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .183183183HSPICE MOSFET Models ManualX-2005.09vii
Contents5.viiiEffective Substrate Doping, nsub . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Threshold Voltage, vth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Saturation Voltage vdsat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Effective Mobility, ueff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Channel Length Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Subthreshold Current Ids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .183184184184186187LEVEL 27 SOSFET Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .188LEVEL 27 Model Parameters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .190Non-Fully Depleted SOI Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Model Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .192192Obtaining Model Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .193Fully Depleted SOI Model Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .194LEVEL 38 IDS: Cypress Depletion Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .195LEVEL 38 Model Parameters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .197LEVEL 38 Model Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .IDS Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Threshold Voltage, vth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Saturation Voltage, vdsat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Mobility Reduction, UBeff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Channel Length Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Subthreshold Current, ids. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .197197199201201202202Example Model File . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Mobility Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Body Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Saturation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203203204204LEVEL 40 HP a-Si TFT Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .204Using the HP a-Si TFT Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Effect of SCALE and SCALM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Noise Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .DELVTO Element . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Device Model and Element Statement Example . . . . . . . . . . . . . . .204205206206206LEVEL 40 Model Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Cutoff Region (NFS 0, vgs von) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Noncutoff Region (NFS 0) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Cgd, Cgs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .206208208211LEVEL 40 Model Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .211References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .211Standard MOSFET Models: Levels 50 to 64 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .213Level 50 Philips MOS9 Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .214HSPICE MOSFET Models ManualX-2005.09
ContentsJUNCAP Model Parameters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .221Using the Philips MOS9 Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .222Model Statement Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223Level 55 EPFL-EKV MOSFET Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .224Single Equation Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .224Effects Modeled . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .225Coherence of Static and Dynamic Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .225Bulk Reference and Symmetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .226EKV Intrinsic Model Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .227Static Intrinsic Model Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .231Basic Definitions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .231Parameter Preprocessing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .231Bulk Referenced Intrinsic Voltages. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .233Effective Channel Length and Width . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .234Short Distance Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .234Reverse Short-channel Effect (RSCE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .234Effective Gate Voltage Including RSCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .234Effective substrate factor including charge-sharing for short and narrowchannels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .235Pinch-off Voltage Including Short-Channel and Narrow-Channel Effects235Slope Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .236Large Signal Interpolation Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .236Forward Normalized Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .236Velocity Saturation Voltage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .237Drain-to-source Saturation Voltage for Reverse Normalized Current237Channel-length Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .237Equivalent Channel Length Including Channel-length Modulation andVelocity Saturation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .237Reverse Normalized Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .238Transconductance Factor and Mobility Reduction Due to Vertical Field 238Specific Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .239Drain-to-source Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .239Transconductances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .240Impact Ionization Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .240Quasi-static Model Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Dynamic Model for the Intrinsic Node Charges . . . . . . . . . . . . . . . .Intrinsic Capacitances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .241241242Intrinsic Noise Model Equations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Thermal Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Flicker Noise. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .243243243Operating Point Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Numerical values of model internal variables. . . . . . . . . . . . . . . . . .Transconductance efficiency factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .243243244HSPICE MOSFET Models ManualX-2005.09ix
ContentsxEarly voltage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Overdrive voltage . . . . . . . . . . . .
HSPICE MOSFET Models Manual iii X-2005.09 Contents Inside This Manual .
