Phần mềm rút trích tham số VIPEX được phát triển và thiết kế đầu tiên tại Việt Nam có các chức năng rút trích tự động tham số linh kiện MOSFET, tối ưu hóa, mô hình hóa linh kiện dựa trên các mô hình MOS Mức 1-2-3, EKV 2.6, BSIM3v3. Các tham số linh kiện rút trích có thể được đưa vào bộ mô phỏng mạch điện SPICE. Phần mềm có thể sử dụng trong đào tạo và nghiên cứu ở lĩnh vực thiết kế vi mạch.
Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) Phần mềm VIPEX rút trích tối ƣu hóa tham số linh kiện MOSFET tự động Lê Đức Hùng1*, Võ Thanh Trí2, Nguyễn Trần Sơn3, Nguyễn Đăng Nhật Tâm2, Bùi Trọng Tú1* Khoa Điện tử - Viễn thông, Trƣờng Đại Học Khoa Học Tự Nhiên –Đại Học Quốc Gia TP.HCM Phịng Thí Nghiệm DESLAB, Trƣờng Đại Học Khoa Học Tự Nhiên –Đại Học Quốc Gia TP.HCM Trƣờng Đại Học Công Nghệ Thông Tin – Đại Học Quốc Gia TP.HCM * Email:{ldhung, bttu}@hcmus.edu.vn Tómtắt—Rút trích tham số linh kiện MOSFET khâu quan trọng trình thiết kế vi mạch Việc rút trích tham số góp phần mơ thiết kế mạch điện ngày xác.Đầy cầu nối công nghệ sản xuất bán dẫn phần mềm thiết kế mô mạch điện SPICE Phần mềm rút trích tham số VIPEX phát triển thiết kế Việt Nam có chức rút trích tự động tham số linh kiện MOSFET, tối ưu hóa, mơ hình hóa linh kiện dựa mơ hình MOS Mức 1-2-3, EKV 2.6, BSIM3v3 Các tham số linh kiện rút trích đưa vào mơ mạch điện SPICE Phần mềm sử dụng đào tạo nghiên cứu lĩnh vực thiết kế vi mạch Từ khóa—trích tham số; MOSFET; EKV2.6; BSIM3v3; MOS Mức 1-2-3; Lavenberg-Marquardt; Genetic Algorithm I TỔNG QUAN PHƢƠNG PHÁP TRÍCH THAM SỐ A Giới thiệu Phần mềm với mục đích rút trích tối ƣu tham số mơ hình MOSFET cách tự động Nhƣ trình bày phần trên, việc trích tham số mơ hình cơng việc quan trọng.Trên giới có nhiều cơng cụ phần mềm rút trích tham số điển hình ICCAP hãng Agilent UTMOST hãng Silvaco Tuy nhiên, chi phí mua quyền đắt Trong phần mềm này, nhóm tác giả tập trung vào việc rút trích tối ƣu hóa tập tham số mơ hình MOSFET điển hình, cụ thể làmơ hình MOS Mức 1, MOS Mức 2, MOS Mức 3; mơ hình BSIM3; mơ hình EKV v2.6 Experimental values (Id-Vg, Id-Vd) Ngày cơng nghệ CMOS (Complementary MetalOxide-Semiconductor) công nghệ đƣợc sử dụng phổ biến thiết kế vi mạch Mà công nghệ CMOS có tảng dựa linh kiện MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) Vì để có thiết kế tốt mơ mạch điện xác ta cần phải hiểu rõ hoạt động linh kiện MOSFET ảnh hƣởng vật lý tác động lên Vì linh kiện MOSFET đƣợc mơ hình hóa để mơ tả chi tiết hoạt động MOSFET Software Model parameter values Hình Sơ đồ trích tham số B Phương pháp rút trích Phƣơng pháp rút trích tham số linh kiện MOSFET đƣợc sử dụng phần mềm chủ yếu phƣơng pháp bình phƣơng tối thiểu để làm khớp liệu (Hình 2) Mơ hình MOSFET tập hợp cơng thức tốn học phức tạp mơ tả hoạt động MOSFET Các mơ hình đơn giản số lƣợng cơng thức cịn ít, nhƣng MOSFET đƣợc chế tạo với kích thƣớc ngày nhỏ hiệu ứng phụ bắt đầu phát sinh cần mơ hình phức tạp để bao quát hết đƣợc hiệu ứng vật lý Kết số lƣợng cơng thức mơ hình bắt đầu nhiều Khi đƣa mơ hình MOSFET vào chƣơng trình mô mạch điện, chúng dựa vào công thức mơ hình để tính kết thiết kế mạch điện Trong cơng thức tốn mơ hình chứa nhiều tham số, gọi tham số mơ hình Các tham số rút trích đƣợc từ giá trị đo đạc thực nghiệm I-V dùng phƣơng pháp toán số phức tạp ISBN: 978-604-67-0349-5 II Hình Đƣờng cong làm khớp liệu 397 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) Trong trƣờng hợp phƣơng trình tuyến tính: y = Ax + B (1) Start Trong trƣờng hợp phƣơng trình tổng quát: N N N A xi2 B xi xi y i i 1 i 1 i 1 N N A xi BN y i i 1 i 1 Fitness (2) New population Selection Đặc tuyến dòng điện - điện thếID-VG, ID-VD linh kiện MOSFET đƣợc sử dụng, với y = I x = V liệu đo đạc mơ Rút trích tham số tìm tham số A, B Từ giá trị A B, tính tốn giá trị tham số cần rút trích Crossover Mutation C Phương pháp tối ưu hóa Phƣơng pháp tối ƣu đƣợc sử dụng phần mềm bao gồm: phƣơng pháp Lavenberg-Marquardt, phƣơng pháp Genetic Algorithm Mục đích trình tối ƣu hóa làm khớp liệu mơ liệu thực nghiệm Ngoài ra, việc tối ƣu hóa góp phần xác định giá trị tham số xác Quy trình tối ƣu hóa tham số dùng thuật tốn Lavenberg-Marquardt đƣợc trình bày Hình 3, thuật tốn Genetic Algorithmđƣợc trình bày Hình Acceptance Replace – + So sánh thuật tốn tối ƣu LavenbergMarquardt Genetic Algorithm thuật tốn Lavenberg-Marquardt có sai số thấp, thời gian tính tốn nhanh hơn, có độ phức tạp thấp hơn, nhiên giá trị tham số mang tính cục Trong thuật tốn Genetic Algorithm có độ phức tạp cao hơn, thời gian tính tốn chậm hơn, sai số ởmức trung bình nhƣng lại đánh giá tập hợp tham số cách toàn cục Tùy theo nhu cầu đánh giá rút trích tối ƣu hóa tham số, ta lựa chọn phƣơng pháp tối ƣu tƣơng ứng End Hình Quy trình tối ƣu hóa dùng phƣơng pháp Genetic Algorithm D Các mơ hình MOSFET Các mơ hình MOSFET đƣợc dùng để trích tham số phần mềm đƣợc trình bày cách tóm lƣợt nhƣ sau: Initial guess of Pi, i = 1, 2,…,n Model equations Measurement Data Mơ hình MOS Mức 1-2-3:Đây mơ hình hệ nhất, đƣợc phát triển đại học California Bao gồm mô hình Mức 1, 2, Tất tham số mơ hình mang ý nghĩa vật lý nhƣng chƣa bao quát hết hiệu ứng phụ MOSFET Các mơ hình có giá trị với MOSFET có kích thƣớc lớn thiếu xác áp dụng công nghệ dƣới micrômét Ngày mơ hình cịn đƣợc sử dụng, nhiên chúng có ý nghĩa lịch sử quan trọng tiền đề để phát triển cho mô hình hệ Mơ hình EKV 2.6:Mơ hình EKV đƣợc phát triển EPFL (Ecole Polytechnique Fédérale de Linear Least-Square Fit Routine Pik+1 = Pik + DPik Test yes no Stop Hình 3.Quy trình tối ƣu hóa dùng phƣơng pháp Lavenber-Marquardt ISBN: 978-604-67-0349-5 Test 398 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thơng tin (ECIT2014) Phần mềm mơ đặc tuyến ID-VD (Hình 5), đặc tuyến ID-VG (Hình 6) linh kiện MOSFET; giao diện rút trích tham số với mơ hình khác (Hình 7); quản lý tập hợp tham số mơ hình (Hình 8), hiển thị kết rút trích tối ƣu hóa tham số (Hình 9) Lausanne) dựa mơ hình điện tích Phiên EKV 2.6 thích hợp cho thiết kế mạch điện tƣơng tự điện thấp công suất thấp, dùng công nghệ CMOS cận nanomét Phiên EKV 3.0 đƣợc phát triển, hỗ trợ công nghệ dƣớinano (dƣới 65nm), đặc biệt thiết kế vi mạch cao tần Mơ hình BSIM3v3:Mơ hình đƣợc phát triển đại học California, mơ hình nàycó cách tiếp cận sâu vào hành vi vật lý MOSFET Do tham số mơ hình BSIM3v3 mang ý nghĩa vật lý tốt hơn, mang ý nghĩa làm khớp Do dịng điện đƣợc mơ hình phƣơng trình nên đạo hàm liên tục tốt Đối với thiết kếmạch điện tƣơng tƣ mơ hình BSIM3v3 cịn hạn chế: thứ nhất, thiếu xác transistor hoạt động vùng đảo yếu đảo mạnh;thứ 2, thiếu xác mơ hình tụ điện kí sinh Mặt dù vậy, mơ hình BSIM3v3 trở thành chuẩn công nghiệp đƣợc sử dụng rộng rãi III PHẦN MỀM TRÍCH THAM SỐ VIPEX Hình Mơ đặc tuyến ID-VD linh kiện MOSFET A Đặc điểm Phần mềm rút trích tham số VIPEX (VIetnam Parameter EXtraction) cịn có chức nhƣ sau: Rút trích tham số linh kiện MOSFET (NMOS,PMOS) với mơ hình MOS Mức 1-2-3; mơ hình BSIM3v3; mơ hình EKV2.6 Tối ƣu hóa giá trị tham số với thuật tốn Lavenberg-Marquardt thuật tốn Genetic Algorithm Mơ lại kết Sau hồn thành việc rút trích tham số mơ hình, phần mềm cho phép ta sử dụng tham số để mô kết I-V, gm-V, v.v Từ ta so sánh với kết thực nghiệm đƣa nhận xét so sánh tính hiệu mơ hình với kết thực nghiệm nhƣ so sánh mơ hình MOSFET khác Lƣu tập giá trị tham số vào sở liệu Với chức ta dễ dàng quản lý tham số mà trích đƣợc Ngồi việc xuất giá trị tham số tập tin sở liệu, phần mềm cho phép xuất file dạng Text, Excel Access Hình Mơ đặc tuyến ID-VG linh kiện MOSFET B Kết Phần mềm VIPEX đƣợc thiết kế phát triển hoàn tồn nhóm nghiên cứu Việt Nam với phần mềm Matlab hoạt động hệ điều hành Windows Ƣu điểm việc thực phần mềm Matlab sử dụng thƣ viện tốn số, thƣ viện bình phƣơng tối thiểu có sẵn Matlab để tính tốn làm khớp liệu ISBN: 978-604-67-0349-5 Hình Giao diện chƣơng trình trích tham số VIPEX 399 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) IV KẾT LUẬN Phần mềm rút trích tham số linh kiện MOSFET tự động VIPEX có chức rút trích tối ƣu hóa tham số linh kiện MOSFET Phần mềm đƣợc phát triển lần Việt Nam nhóm nghiên cứu nƣớc góp phần làm giảm chi phí mua quyền cácphần mềm rút tríchvà mơ hình linh kiện MOSFET nƣớc ngoài, đồng thời nắm rõ đƣợc quy trình rút trích tham số nhƣ mơ hình hóa linh kiện MOSFET - quy trình quan trọng trình thiết kế vi mạch bán dẫn Phần mềm có chức mơ đặc tuyến linh kiện, rút trích tự động tập tham số linh kiện MOSFET mơ hình MOS Mức 1-2-3, mơ hình BSIM3v3, mơ hình EKV 2.6, tối ƣu hóa tham số linh kiện MOSFET dùng thuật toán LavenbergMarquardt Genetic Algorithm Phần mềm ứng dụng phòng R&D viện nghiên cứu nhà máy sản xuất bán dẫn, phịng thí nghiệm thiết kế vi mạch, phòng thực tập nhằm phục vụ mục đích nghiên cứu đào tạo lĩnh vực vi mạch bán dẫn Hình Tập hợp tham số mơ hình LỜI CẢM ƠN Nhóm tác giả trân trọng cảm ơn TS Daniel Tomaszewski công công tác Viện Kỹ thuật Điện tử, Warsaw, Ba Lan hỗ trợ kỹ thuật cung cấp giá trị đo linh kiện CMOScơng nghệ 0.8µm để tiến thành rút trích tham số linh kiện MOSFET thực tế Hình Kết rút trích tham số Tập hợp tham số đƣợc rút trích tối ƣu hóa tƣơng ứng với mơ hình MOS Mức 1, MOS Mức 2, MOS Mức 3, mơ hình BSIM3v3, mơ hình EKV2.6 phần mềm VIPEX đƣợc tóm tắt Bảng nhƣ sau Nghiên cứu đƣợc tài trợ Sở Khoa học Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh khn khổ đề tài nghiên cứu khoa học mã số 166/2013/HĐ-SKHCN BẢNG BẢNG TÓM TẮT GIÁ TRỊ CÁC THAM SỐ ĐƢỢC RÚT TRÍCH VỚI CÁC MƠ HÌNH KHÁC NHAU TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Mơ hình MOSFET Giá trị tham số [2] MOS Mức VTO, U0, LAMBDA [3] MOS Mức VTO, U0, UCRIT, UEXP, DELTA, NSUB, XJ, VMAX, NEFF, NFS MOS Mức [4] VTO, U0, THETA, DELTA, NSUB, XJ, VMAX, ETA, KAPPA, BEX, NFS [5] VTO, PHI, GAMMA, KP, E0, UCRIT, LAMBDA, LETA, WETA, Q0, LK, IBN, IBA, IBB, TNOM, TCV, BEX, UCEX, IBBT [6] EKV 2.6 [7] BSIM3v3 VTH0, K1, K2, K3, VBM, DVT0, DVT1, DVT2, U0, UA, UB, UC, WINT, LINT, ETA0, ETAB, DWG, DWB, VOFF, NFACTOR, PCLM, DELTA, NGATE, ALPHA0, BETA0 ISBN: 978-604-67-0349-5 [8] 400 Daniel Foty, “MOSFET Modeling with SPICE: Principles and Practice,” Prentice Hall, 1997 Y P Tsividis, “Operation and Modeling of the MOS Transistor,” McGraw-Hill, 1987 H G Lee, S Y Oh and g Fuller, “A simple and accurate Method to Measure the Threshold Voltage of an EnhancementMode MOSFET,” Trans On Elec Device, Vol ED-29, No.2, pp 346-348, Feb 1982 Y Tsividis and K Suyama, “MOSFET Modeling for Analog Circuit CAD: Problems and Prospects,” Journal of Solid-State and Circuits, Vol 29, No 3, pp 210-216, May1994 “HSPICE User's Manual: Elements and Device Models, Volume II,” Meta-Software Inc., pp 16-103–16-113, 1996 M I A Lourakis, “A brief description of the LevenbergMarquardt algorithm implemented by levmar,” Technical Report Institute of Computer Science, Foundation for Research and Technology-Hellas, Feb 2005 D W Marquardt, “An algorithm for least-squares estimation of nonlinear parameters,” Journal of the Society for Industrial and Applied Mathematics, Vol 11 (2), pp 431-441 , 1963 C Enz, F Krummenacher, E Vittoz, “An analytical MOS transistor model valid in all regions of operation and dedicated to low-voltage and low-current applications,” Journal on Analog Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) [12] M Keser and K Joardar, “Genetic algorithm based MOSFET model parameter extraction,” Technical Proceedings of the International Conference on Modeling and Simulation of Microsystems, pp 341-344, 2000 Integrated Circuits and Signal Processsing, Kluwer Academic Publishers, pp 83-114, July 1995 [9] H.J Oguey and S Cserveny, “MOS modelling at low current density,” Summer Course on Process and Device Modelling, ESAT Leuven-Heverlee, Belgium, June 1983 [10] D Goldberg, “Genetic Algorithms in Search, Optimization, and Machine Learning,” Addison Wesley, 1989 [11] M Mitchell, “An Introduction to Genetic Algorithms,” MIT Press, 1996 ISBN: 978-604-67-0349-5 401 ... KẾT LUẬN Phần mềm rút trích tham số linh kiện MOSFET tự động VIPEX có chức rút trích tối ƣu hóa tham số linh kiện MOSFET Phần mềm đƣợc phát triển lần Việt Nam nhóm nghiên cứu nƣớc góp phần làm... bán dẫn Phần mềm có chức mơ đặc tuyến linh kiện, rút trích tự động tập tham số linh kiện MOSFET mô hình MOS Mức 1-2-3, mơ hình BSIM3v3, mơ hình EKV 2.6, tối ƣu hóa tham số linh kiện MOSFET dùng... Hình Mơ đặc tuyến ID-VD linh kiện MOSFET A Đặc điểm Phần mềm rút trích tham số VIPEX (VIetnam Parameter EXtraction) cịn có chức nhƣ sau: Rút trích tham số linh kiện MOSFET (NMOS,PMOS) với mơ