金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)是集成电路领域最基本最核心的元器件,对它的建模是这个领域最重要的工作之一。模型工程师们一直都致力于发展出一套既能够全面反映器件端口特性的数学方程,又要兼顾现代超大规模集成电路对仿真速度的要求,和实际应用此模型的操作简易性。不能因为片面的追求精度而牺牲过长的仿真时间。能够满足要求的模型应该是基于物理机理的,这样能用最少的参数表征最多的物理效应。但是往往由于物理机理的复杂性或者描述物理的数学方程的复杂性,人们只能采用经验拟合参数的方式来逼近物理效应。早在1966年Pao和Sah就发展出一套理论方程,并找到了一个最基本的物理量—表面势,也描写出端口电压和表面势的关系方程。但是这是一个超越方程,由于当时计算机性能的低下,要算出比较精确的表面势相当费时,同时模型研究者也没有找到这个超越方程的解析解法。最终通过一些忽略和近似,采用人为设置一个阈值电压的方式构建出第一代紧凑模型—BSIM,并得到广泛应用,早期晶体管较大的尺寸也使得这种模型能够良好的工作。但是随着器件尺寸降低,这种模型的缺陷越来越明显。阈值电压模型最明显的特点是对MOS划分工作区域,不同的区域采用不同的方程表征,而不同区域之间的过渡区域需要平滑的连接函数来保证连续,因而对这个过渡区域建模不够精确。这是模型架构上的缺陷,不能完全消除。反型层电荷模型虽然能够用一条方程描述整个区域,但是MOS管处于积累状态时,反型层电荷这个物理量不再适用,这也是模型架构上的缺陷。另外,反型层电荷本身是表面势这个物理量的函数。由此,表面势模型是唯一一种基于根本物理机理的模型,现今计算机强大的计算能力为表面势的计算提供强有力的保障,相关模型开发者也探索出对原始表面势方程良好的解析算法。这一切为表面势模型的复兴和发展提供了便利。而表面势模型PSP也被国际紧凑模型委员会选作业界新标准,取代了BSIM的位置。PSP的核心参数不超过30个,大大降低了模型的复杂性,为工艺上做参数提取带来了很大的方便。但是PSP也有建模不足的地方,它为了保证模型运算的高效,对有些物理效应采取了及其简化的处理,有悖于基本物理机理。本文即是针对PSP建模不足的地方,主要从理论对其做相关的改进。首先谈论对称LDD结构中的串联电阻。工业界很早就采用对称LDD结构来降低热载流子效应,但是,LDD结构也使器件性能退化,主要原因即是在源、漏极与沟道之间引入的轻掺杂区域带来了阻值较大的串联电阻。PSP将这个串联电阻设置为定值。本文从表面势的概念出发,考虑这个串联电阻对沟道电势的影响,分别得到LDD区域的电流和本征沟道区域的电流,用迭代的方法得到串联电阻与偏压的相关性,指出此串联电阻随栅压的增大而减小,随漏压的增大而减小并趋向一个定值。这种处理方式直接从表面势出发,能与现有的表面势模型良好兼容,对工艺监控和新器件的开发具有指导意义。另外,器件尺寸的不断缩小会带来一系列的小尺寸效应,最显著的就是漏致势垒降低效应(DIBL)。这是因为小尺寸使得沟道方向上的电场急剧增大,相对于垂直方向上的电场不可忽略。PSP中将DIBL系数也设置成一个定值,这显然与DIBL效应随漏压升高而加剧的物理直观不符。本文通过求解二维泊松方程,利用边界条件将此二维泊松方程转化为一维方程,得出DIBL系数的解析表达式,指出DIBL随漏压变化,尤其在小尺寸管子里这种依赖性会越来越强。将这种方法和PSP同时应用于一个32nm的I-V曲线拟合,结果显示本文的方法比PSP具有更高的拟合精度。