低温集成电路应用已受到越来越多的关注。低温下,MOS器件特性显著改善：迁移率和饱和速度增大、亚阈值斜率减小、可靠性变好。这将导致低温集成电路具有更快的速度、更大的增益、更小的功耗和更高的集成密度。然而,低温集成电路设计缺乏准确可靠的器件模型,这是制约低温集成电路发展的瓶颈。本文以红外焦平面芯片为应用背景,研究并提出了77K(液氮环境)下MOS器件的SPICE模型。 首先介绍了MOS器件低温特性和MOS器件模型原理,然后将这两方面相融合,在比较了数值模型、解析模型、行为宏模型、表格模型、子电路模型等模型方法后,建立了77K下以BSIM3模型为核心的双压控电阻子电路宏模型结构。宏模型采用两个串联的压控电阻来限制器件电流,从而模拟低温冻析效应所带来的影响。紧接着,通过液氮罐测试方法得到77K器件特性数据,然后提取宏模型参数。参数提取时首先根据无冻析效应区域提取BISM3参数,然后采用多项式拟合的方法提取压控电阻参数,最后进行参数的尺寸化拟合。文章最后,通过电路仿真验证了77K模型的正确性。 本文构建的低温MOS模型不同于以往任何一款低温模型。模型最大的特点是与SPICE工具完全兼容,能够直接运用于SPICE仿真软件。整个模型既基于物理意义,又简明易操作,因此准确度高、实用性好。实际结果表明：模型精度高,且模型不存在连续性和收敛性问题,能够成功仿真电路特性。