【半導体】📏 08-07. MOSFETのL/Wスケーリングと短チャネル効果をSPICEで可視化する

topics: [“半導体”, “MOSFET”, “スケーリング”, “短チャネル効果”, “BSIM4”]

🚀 はじめに

MOSFET は、しばしば

「小さくすると速くなる」

と言われます。
しかし実際には、それと同時に、

• ⚠️ 制御しにくくなる
• ⚠️ リークが増える
• ⚠️ 特性ばらつきが顕在化する

という 別の顔 を見せ始めます。

本記事では、BSIM4 モデル + SPICE 解析を用いた
L/W 寸法スケーリング解析を通して、

• なぜ小さくすると特性が変わるのか
• 教科書的な直感と現実がどこでズレるのか

を シミュレーション結果から確認します。

📐 寸法スケーリングとは何か

MOSFET の寸法スケーリングとは、主に次の 2 つを変化させたときの影響を見る解析です。

• チャネル長：$L$
• デバイス幅：$W$

理想的な長チャネル MOSFET では、

• $I_d \propto W$
• $I_d \propto 1/L$

と考えたくなります。
しかし 実デバイスでは、この関係は簡単に崩れます。

その破綻の正体が、
👉 短チャネル効果（Short-Channel Effects, SCE） です。

🧰 使用する環境（SemiDevKit）

本記事では、以下の DIM 解析モジュールを使用します。

• BSIM4_ANALYZER_DIM
  https://samizo-aitl.github.io/SemiDevKit/bsim/bsim4_analyzer_dim/

特徴

• Python + ngspice
• BSIM4（130nm 教育モデル）
• 完全自動：
  • L/W 依存モデル生成
  • netlist 作成
  • SPICE 実行
  • CSV / PNG 出力

👉 寸法依存特性を「手を動かさずに」比較可能です。

🔬 チャネル長 L のスケーリング

実行方法

cd bsim/bsim4_analyzer_dim/run
python run_vg_dim.py
python run_vd_dim.py

この解析では、チャネル長 $L$ を段階的に変えながら、

• Vg–Id（転送特性）
• Vd–Id（出力特性）

を比較します。

⚠️ L を短くすると何が起きるか

シミュレーション結果から、以下が確認できます。

• 📉 しきい値電圧の低下（Vth roll-off）
• 📉 出力抵抗の低下
• ⚡ DIBL（Drain Induced Barrier Lowering）
• ⚠️ 飽和特性の崩れ

これらを総称して 短チャネル効果（SCE） と呼びます。

■ Vg–Id（Lスイープ, NMOS）

👉 短 L ほど Vth が下がり、リークが増える
👉 gm の増加と制御性低下が同時に起きる

■ Vd–Id（Lスイープ, NMOS）

👉 飽和が甘くなり、Id が Vd に引きずられる
👉 典型的な DIBL の兆候

デバイス幅 W のスケーリング 📏

実行方法

cd bsim/bsim4_analyzer_dim/run
python run_vg_dim.py
python run_vd_dim.py

（W 固定条件のみ変更）

🤔 Wスケーリングの直感と現実

直感的には、

• W を広げる → 電流が比例して増える

と考えがちですが、実際には：

• 寄生抵抗（Rdsw）
• 寄生容量（Cgg）
• ナロー幅効果

が無視できなくなります。

👉 「W を広げればすべて解決」ではない
👉 標準セル設計で重要なポイントです。

🧠 BSIM4 が果たす役割

BSIM4 は、

• Vth ロールオフ
• DIBL
• 移動度劣化
• ナロー幅効果

といった 寸法依存パラメータ を内部に持っています。

そのため SPICE 解析だけでも、

「小さくした結果、何が壊れたか」

を 端子特性として確認できます。

🔗 TCADとの関係

TCAD では、短チャネル化により：

• 電位分布が歪む
• ドレイン電界がチャネルに侵入する

ことを 空間的に 観測できます。

一方 BSIM4 の DIM 解析は、

• それらの結果を
• I–V 特性という形で圧縮表現したもの

です。

👉 TCAD と回路設計をつなぐ橋渡し が BSIM4 です。

💡 DIM解析の本当の価値

DIM解析が本領を発揮するのは：

• SRAM の β 比設計
• 標準セルの drive strength 設計
• 高速 / 低リークのトレードオフ検討

といった 回路・アーキ設計の現場です。

📝 まとめ

• 📏 L/W スケーリングは MOSFET 特性を大きく変える
• ⚠️ L 短縮は短チャネル効果を引き起こす
• 📐 W 拡大も単純比例では終わらない
• 🧠 BSIM4 + SPICE で現実的な挙動を確認できる

MOSFET を 「式」ではなく「デバイス」として理解するために、
DIM 解析は非常に強力な手段です。

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