Phần mềm VIPEX rút trích và tối ưu hóa tham số linh kiện MOSFET tự động

Phần mềm VIPEX rút trích và 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* 
1Khoa Điện tử - Viễn thông, Trƣờng Đại Học Khoa Học Tự Nhiên –Đại Học Quốc Gia TP.HCM 
2
Phòng Thí Nghiệm DESLAB, Trƣờng Đại Học Khoa Học Tự Nhiên –Đại Học Quốc Gia TP.HCM 
3Trƣờng 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 là khâu 
quan trọng trong quá trình thiết kế vi mạch. Việc rút trích 
tham số góp phần mô phỏng và thiết kế mạch điện ngày 
càng chính xác.Đầy là cầu nối giữa công nghệ sản xuất bán 
dẫn và các phần mềm thiết kế mô phỏng mạch điện SPICE. 
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. 
Từ khóa—trích tham số; MOSFET; EKV2.6; BSIM3v3; 
MOS Mức 1-2-3; Lavenberg-Marquardt; Genetic Algorithm 
I. TỔNG QUAN 
Ngày nay công nghệ CMOS (Complementary Metal-
Oxide-Semiconductor) là một công nghệ đƣợc sử dụng 
phổ biến trong thiết kế vi mạch. Mà công nghệ CMOS 
có nền tảng dựa trên linh kiện MOSFET (Metal-Oxide 
Semiconductor Field Effect Transistor). Vì vậy để có 
thiết kế tốt và mô phỏng mạch điện chính xác thì ta cần 
phải hiểu rõ hoạt động của linh kiện MOSFET và các 
ảnh hƣởng vật lý tác động lên nó. Vì vậy các linh kiện 
MOSFET đƣợc mô hình hóa để mô tả chi tiết hoạt động 
của MOSFET. 
Mô hình MOSFET là một tập hợp các công thức toán 
học phức tạp mô tả hoạt động của MOSFET. Các mô 
hình đơn giản thì số lƣợng công thức còn ít, nhƣng khi 
MOSFET đƣợc chế tạo với kích thƣớc ngày càng nhỏ 
hơn thì các hiệu ứng phụ bắt đầu phát sinh và chúng ta 
cần những mô hình phức tạp hơn để có thể bao quát hết 
đƣợc các hiệu ứng vật lý đó. Kết quả là số lƣợng công 
thức ở các mô hình mới này cũng bắt đầu nhiều hơn. Khi 
đƣa mô hình MOSFET vào chƣơng trình mô phỏng 
mạch điện, chúng sẽ dựa vào các công thức của mô hình 
để tính ra các kết quả thiết kế mạch điện. Trong các công 
thức toán của mô hình chứa rất nhiều các tham số, gọi là 
tham số mô hình. Các tham số này chỉ có thể rút trích 
đƣợc từ các giá trị đo đạc thực nghiệm I-V và dùng các 
phƣơng pháp toán số phức tạp. 
II. PHƢƠNG PHÁP TRÍCH THAM SỐ 
A. Giới thiệu 
Phần mềm với mục đích chính là rút trích và tối ƣu 
các tham số của mô hình MOSFET một cách tự động. 
Nhƣ đã trình bày ở phần trên, việc trích tham số mô hình 
là công việc quan trọng.Trên thế giới cũng đã có nhiều 
công cụ phần mềm rút trích tham số điển hình là IC-
CAP của hãng Agilent và UTMOST của hãng Silvaco. 
Tuy nhiên, chi phí mua bản quyền là rất đắt. 
Trong phần mềm này, nhóm tác giả tập trung vào 
việc rút trích và tối ƣu hóa tập tham số của các mô hình 
MOSFET điển hình, cụ thể làmô hình MOS Mức 1, 
MOS Mức 2, MOS Mức 3; mô hình BSIM3; mô hình 
EKV v2.6. 
Experimental 
values
(Id-Vg, Id-Vd)
Software
Model 
parameter 
values
Hình 1. Sơ đồ trích tham số. 
B. Phương pháp rút trích 
Phƣơng pháp rút trích tham số linh kiện MOSFET 
đƣợc sử dụng trong phần mềm chủ yếu là phƣơng pháp 
bình phƣơng tối thiểu để làm khớp dữ liệu (Hình 2). 
Hình 2. Đƣờng cong làm khớp dữ liệu. 
 Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) 
ISBN: 978-604-67-0349-5 397
Trong trƣờng hợp phƣơng trình tuyến tính: y = Ax + 
B (1) 
Trong trƣờng hợp phƣơng trình tổng quát: 

 

 
 
N
1i
N
1i
A
N
1i
N
1i
N
1i
A
yiBNxi
yixixiBxi
2
Đặc tuyến dòng điện - điện thếID-VG, ID-VD của linh 
kiện MOSFET đƣợc sử dụng, với y = I và x = V là dữ 
liệu đo đạc hoặc mô phỏng. Rút trích tham số là tìm các 
tham số A, B. Từ các giá trị A và B, có thể tính toán ra 
các giá trị tham số cần rút trích. 
C. Phương pháp tối ưu hóa 
Phƣơng pháp tối ƣu đƣợc sử dụng trong phần mềm 
bao gồm: phƣơng pháp Lavenberg-Marquardt, phƣơng 
pháp Genetic Algorithm. Mục đích của quá trình tối ƣu 
hóa là làm khớp dữ liệu mô phỏng và dữ liệu thực 
nghiệm. Ngoài ra, việc tối ƣu hóa góp phần xác định các 
giá trị tham số chính xác hơn. Quy trình tối ƣu hóa tham 
số dùng thuật toán Lavenberg-Marquardt đƣợc trình bày 
trong Hình 3, và thuật toán Genetic Algorithmđƣợc trình 
bày trong Hình 4. 
So sánh giữa 2 thuật toán tối ƣu Lavenberg-
Marquardt và Genetic Algorithm thì thuật toán 
Lavenberg-Marquardt có sai số thấp, thời gian tính toán 
nhanh hơn, và có độ phức tạp thấp hơn, tuy nhiên giá trị 
các tham số mang tính cục bộ. Trong khi đó thuật toán 
Genetic Algorithm tuy có độ phức tạp cao hơn, thời gian 
tính toán chậm hơn, sai số ởmức trung bình nhƣng lại có 
thể đánh giá tập hợp các tham số một cách toàn cục. Tùy 
theo nhu cầu đánh giá rút trích và tối ƣu hóa tham số, ta 
có thể lựa chọn phƣơng pháp tối ƣu tƣơng ứng. 
Initial guess of Pi, i = 1, 2,,n
Model equations
Linear Least-Square Fit 
Routine
Measurement 
Data
Pi
k+1 = Pi
k + DPi
k
Test
Stop
no
yes
Hình 3.Quy trình tối ƣu hóa dùng phƣơng pháp Lavenber-Marquardt. 
Fitness
New population
Start
Selection
Crossover
Mutation
Acceptance
Replace
Test
End
–
+
Hình 4. Quy trình tối ƣu hóa dùng phƣơng pháp Genetic Algorithm 
D. Các mô hình MOSFET 
Các mô hình MOSFET đƣợc dùng để trích tham số 
trong phần mềm đƣợc trình bày một cách tóm lƣợt nhƣ 
sau: 
 Mô hình MOS Mức 1-2-3:Đây là mô hình thế 
hệ đầu tiên nhất, đƣợc phát triển tại đại học 
California. Bao gồm mô hình Mức 1, 2, 3. Tất 
cả các tham số của các mô hình này đều mang ý 
nghĩa vật lý nhƣng chƣa bao quát hết các hiệu 
ứng phụ của MOSFET. Các mô hình này chỉ có 
giá trị với MOSFET có kích thƣớc lớn và thiếu 
chính xác khi áp dụng đối với công nghệ dƣới 
micrômét. Ngày nay các mô hình này ít còn 
đƣợc sử dụng, tuy nhiên chúng có ý nghĩa lịch 
sử quan trọng và là tiền đề để phát triển cho các 
mô hình thế hệ tiếp theo 
 Mô hình EKV 2.6:Mô hình EKV đƣợc phát 
triển tại EPFL (Ecole Polytechnique Fédérale de 
(2) 
 Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) 
ISBN: 978-604-67-0349-5 398
Lausanne) dựa trên mô hình điện tích. Phiên bản 
EKV 2.6 thích hợp cho thiết kế mạch điện tƣơng 
tự điện thế thấp và công suất thấp, dùng công 
nghệ CMOS cận nanomét. Phiên bản EKV 3.0 
đang đƣợc phát triển, hỗ trợ công nghệ 
dƣớinano (dƣới 65nm), đặc biệt là trong thiết kế 
vi mạch cao tần. 
Mô hình BSIM3v3:Mô hình đƣợc phát triển tại đại 
học California, mô hình nàycó cách tiếp cận sâu hơn vào 
các hành vi vật lý của MOSFET. Do đó các tham số của 
mô hình BSIM3v3 mang ý nghĩa vật lý tốt hơn, ít mang 
ý nghĩa làm khớp. Do dòng điện đƣợc mô hình bởi một 
phƣơng trình duy nhất nên đạo hàm liên tục tốt. Đối với 
thiết kếmạch điện tƣơng tƣ thì mô hình BSIM3v3 vẫn 
còn hạn chế: thứ nhất, thiếu chính xác khi transistor hoạt 
động ở vùng đảo yếu và đảo mạnh;thứ 2, thiếu chính xác 
trong mô hình tụ điện kí sinh. Mặt dù vậy, mô hình 
BSIM3v3 đã trở thành chuẩn công nghiệp và đƣợc sử 
dụng rộng rãi nhất. 
III. PHẦN MỀM TRÍCH THAM SỐ VIPEX 
A. Đặc điểm 
Phần mềm rút trích tham số VIPEX (VIetnam 
Parameter EXtraction) còn có các chức năng nhƣ sau: 
 Rút trích tham số linh kiện MOSFET 
(NMOS,PMOS) với mô hình MOS Mức 1-2-3; 
mô hình BSIM3v3; mô hình EKV2.6. 
 Tối ƣu hóa giá trị các tham số với thuật toán 
Lavenberg-Marquardt và thuật toán Genetic 
Algorithm. 
 Mô phỏng lại kết quả. Sau khi hoàn thành việc 
rút trích các tham số mô hình, phần mềm cho 
phép ta sử dụng các tham số này để mô phỏng ra 
các kết quả I-V, gm-V, v.v. Từ đó ta có thể so 
sánh với kết quả thực nghiệm và đƣa ra nhận xét 
so sánh giữa tính hiệu quả của mô hình với kết 
quả thực nghiệm cũng nhƣ so sánh giữa các mô 
hình MOSFET khác nhau. 
 Lƣu tập giá trị tham số vào cơ sở dữ liệu. Với 
chức năng này ta có thể dễ dàng quản lý các 
tham số mà mình đã trích đƣợc. 
 Ngoài việc xuất giá trị tham số ra tập tin cơ sở 
dữ liệu, phần mềm còn cho phép xuất ra file 
dạng Text, Excel và Access. 
B. Kết quả 
Phần mềm VIPEX đƣợc thiết kế và phát triển hoàn 
toàn bởi nhóm nghiên cứu ở Việt Nam với phần mềm 
Matlab hoạt động trên hệ điều hành Windows. Ƣu điểm 
của việc thực hiện trên phần mềm Matlab là sử dụng các 
thƣ viện toán số, thƣ viện bình phƣơng tối thiểu có sẵn 
trên Matlab để tính toán và làm khớp dữ liệu. 
Phần mềm có thể mô phỏng đặc tuyến ID-VD (Hình 
5), đặc tuyến ID-VG (Hình 6) của linh kiện MOSFET; 
giao diện rút trích tham số với các mô hình khác nhau 
(Hình 7); quản lý tập hợp tham số các mô hình (Hình 8), 
hiển thị kết quả rút trích và tối ƣu hóa tham số (Hình 9). 
Hình 5. Mô phỏng đặc tuyến ID-VD của linh kiện MOSFET. 
Hình 6. Mô phỏng đặc tuyến ID-VG của linh kiện MOSFET. 
Hình 7. Giao diện chính của chƣơng trình trích tham số VIPEX. 
 Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) 
ISBN: 978-604-67-0349-5 399
 Hình 8. Tập hợp các tham số mô hình. 
Hình 9. Kết quả rút trích tham số. 
Tập hợp các tham số đƣợc rút trích và tối ƣu hóa 
tƣơng ứng với các mô hình MOS Mức 1, MOS Mức 2, 
MOS Mức 3, mô hình BSIM3v3, và mô hình EKV2.6 
trong phần mềm VIPEX đƣợc tóm tắt trong Bảng 1 nhƣ 
sau. 
BẢNG 1. BẢNG TÓM TẮT GIÁ TRỊ CÁC THAM SỐ ĐƢỢC RÚT 
TRÍCH VỚI CÁC MÔ HÌNH KHÁC NHAU 
Mô hình 
MOSFET 
Giá trị các tham số 
MOS Mức 1 VTO, U0, LAMBDA 
MOS Mức 2 
VTO, U0, UCRIT, UEXP, DELTA, NSUB, XJ, 
VMAX, NEFF, NFS 
MOS Mức 3 
VTO, U0, THETA, DELTA, NSUB, XJ, VMAX, 
ETA, KAPPA, BEX, NFS 
EKV 2.6 
VTO, PHI, GAMMA, KP, E0, UCRIT, 
LAMBDA, LETA, WETA, Q0, LK, IBN, IBA, 
IBB, TNOM, TCV, BEX, UCEX, IBBT 
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 
IV. KẾT LUẬN 
Phần mềm rút trích tham số linh kiện MOSFET tự 
động VIPEX có chức năng rút trích và tối ƣu hóa các 
tham số linh kiện MOSFET. Phần mềm đƣợc phát triển 
lần đầu tiên tại Việt Nam và bởi nhóm nghiên cứu trong 
nƣớc góp phần làm giảm chi phí mua bản quyền cácphần 
mềm rút tríchvà mô hình linh kiện MOSFET của nƣớc 
ngoài, đồng thời nắm rõ đƣợc quy trình rút trích tham số 
cũng nhƣ mô hình hóa linh kiện MOSFET - một quy 
trình rất quan trọng trong quá trình thiết kế vi mạch bán 
dẫn. Phần mềm có các chức năng mô phỏng đặc tuyến 
linh kiện, rút trích tự động tập tham số linh kiện 
MOSFET các mô hình MOS Mức 1-2-3, mô hình 
BSIM3v3, mô hình EKV 2.6, và tối ƣu hóa các tham số 
linh kiện MOSFET dùng thuật toán Lavenberg-
Marquardt và Genetic Algorithm. Phần mềm có thể ứng 
dụng trong các phòng R&D của các viện nghiên cứu 
hoặc các nhà máy sản xuất bán dẫn, các phòng thí 
nghiệm thiết kế vi mạch, các phòng thực tập nhằm phục 
vụ mục đích nghiên cứu và đào tạo trong lĩnh vực vi 
mạch bán dẫn. 
LỜI CẢM ƠN 
Nhóm tác giả trân trọng cảm ơn TS. Daniel 
Tomaszewski và các công sự đang công tác tại Viện Kỹ 
thuật Điện tử, Warsaw, Ba Lan đã hỗ trợ kỹ thuật và 
cung cấp giá trị đo linh kiện CMOScông nghệ 0.8µm để 
tiến thành rút trích tham số linh kiện MOSFET thực tế. 
Nghiên cứu này đƣợc tài trợ bởi Sở Khoa học và 
Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh trong khuôn khổ đề 
tài nghiên cứu khoa học mã số 166/2013/HĐ-SKHCN. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Daniel Foty, “MOSFET Modeling with SPICE: Principles and 
Practice,” Prentice Hall, 1997. 
[2] Y. P. Tsividis, “Operation and Modeling of the MOS 
Transistor,” McGraw-Hill, 1987. 
[3] H. G. Lee, S. Y. Oh and g. Fuller, “A simple and accurate 
Method to Measure the Threshold Voltage of an Enhancement-
Mode MOSFET,” Trans. On Elec. Device, Vol. ED-29, No.2, 
pp. 346-348, Feb. 1982. 
[4] 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. 
[5] “HSPICE User's Manual: Elements and Device Models, Volume 
II,” Meta-Software Inc., pp. 16-103–16-113, 1996. 
[6] M. I. A. Lourakis, “A brief description of the Levenberg-
Marquardt algorithm implemented by levmar,” Technical 
Report. Institute of Computer Science, Foundation for Research 
and Technology-Hellas, Feb. 2005. 
[7] 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. 
[8] 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 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) 
ISBN: 978-604-67-0349-5 400
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. 
[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. 
 Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) 
ISBN: 978-604-67-0349-5 401