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1、1,CMOS器件模型,一、无源器件结构介绍 二、简单的MOS大信号模型 三、MOS小信号模型 四、Spice Level 3 Model 五、HSpice仿真介绍,2,一、无源器件结构及模型,集成电路中的无源元件包括: 互连线、电阻、电容、电感、传输线等,3,互连线,互连线设计应该注意以下方面： 大多数连线应该尽量短 最小宽度 保留足够的电流裕量 多层金属 趋肤效应和寄生参数（微波和毫米波） 寄生效应,4,电阻,实现电阻有三种方式： 1.晶体管结构中不同材料层的片式电阻（不准确） 2.专门加工制造的高质量高精度电阻 3.互连线的传导电阻,5,(a)单线和U-型电阻结构 (b)它们的等效电路,阻
2、值计算 最小宽度,6,栅漏短接的MOS有源电阻及其I-V曲线,Ron,直流电阻 Ron交流电阻 rds,栅、漏短接并工作在饱和区的MOS有源电阻,7,饱和区的NMOS有源电阻示意图,直流电阻 Ron交流电阻 rds,条件：VGS保持不变,VGS保持不变的饱和区有源电阻,8,对于理想情况，O点的交流电阻应为无穷大，实际上因为沟道长度调制效应，交流电阻为一个有限值，但远大于在该工作点上的直流电阻。在这个工作区域，当漏源电压变化时，只要器件仍工作在饱和区，它所表现出来的交流电阻几乎不变，直流电阻则将随着漏源电压变大而变大。,9,总结： 有源电阻的几种形式,( a ) ( d ) 直流电阻 Ron交流
3、电阻 rds,10,电容,在高速集成电路中，有多种实现电容的方法： 1）利用二极管和三极管的结电容； 2）利用叉指金属结构； 3）利用金属-绝缘体-金属(MIM)结构； 4）利用类似于MTM的多晶硅/金属-绝缘体-多晶硅结构；,11,(a)叉指结构电容和(b)MIM 结构电容,12,电容,平板电容公式 高频等效模型 自谐振频率 f0 品质因数 Q,f f0 / 3,13,电感,集总电感,单匝线圈版图,a，w 取微米单位,14,式中：ri=螺旋的内半径，微米， r0=螺旋的外半径，微米， N=匝数。,多匝螺旋形线圈电感值计算公式为：,15,电感,电感精度：电感模型,16,传输线电感 获得单端口电
4、感的另一种方法是使用长度ll/4波长的短电传输线(微带或共面波导)或使用长度在l/4 ll/2范围内的开路传输线。,双端口电感与键合线电感,短路负载：,开路负载：,17,分布参数元件,集总元件和分布元件 随着工作频率的增加，一些诸如互连线的IC元件的尺寸变得很大，以致它们可以与传输信号的波长相比。这时，集总元件模型就不能有效地描述那些大尺寸元件的性能，应该定义为分布元件。,18,微带线,(a) (b) 典型微带线的剖面图(a)和覆盖钝化膜的微带线(b),19,TEM波传输线的条件,GaAs衬底的厚度200um,20,微带线设计需要的电参数主要是阻抗、衰减、无载Q、波长、迟延常数。 阻抗计算 微
5、带线的衰减由两部分组成：导线损耗和介质损耗 形成微带线的基本条件是，介质衬底的背面应该完全被低欧姆金属覆盖并接地，从而使行波的电场主要集中在微带线下面的介质中。,w/h1,w/h1,微带线,21,共面波导(CPW),(a) (b) 常规共面波导(a)与双线共面波导(b),22,CPW传输TEM波的条件 CPW的阻抗计算 由ZL计算CPW的宽度W: 对应于厚衬底 / 薄衬底有效介电常数有变化 CPW的衰减计算,23,相对于微带线，CPW的优点是： 1）工艺简单，费用低，因为所有接地线均在上表面而不需接触孔。 2）在相邻的CPW之间有更好的屏蔽，因此有更高的集成度和更小的芯片尺寸。 3）比金属孔有
6、更低的接地电感。 4）低的阻抗和速度色散。 CPW的缺点是： 1）衰减相对高一些，在50GHz时，CPW的衰减是0.5dB/mm; 2）由于厚的介质层，导热能力差，不利于大功率放大器的实现。,CPW的优缺点,24,二、简单的MOS大信号模型（Spice Level 1）,大信号模型是非线性模型； 最简单的模型，主要 用于手工计算； 表征器件电压（VGS等）与器件电流直流值的关系 Level 1模型，由Sah建议，Shichman和Hodges使用，主要包括VT、K（跨导参数）、（沟道长度调制参数）、（体阈值参数）、等。 推出小信号模型。,25,NMOS跨导特性（VDS=0.1V）,26,NMO
7、S输出特性（VGS=2VT）,27,NMOS输出特性（VGS=4VT）,28,修正的Sah模型,29,衬底电压对NMOS阈值电压VTH的影响,30,0.8um CMOS工艺的大信号模型参数,31,大信号NMOS的寄生电容,耗尽电容：CBD、CBS 栅电容：CGS、CGD、CGB,32,耗尽电容CBD、CBS,其中ABD为Bulk-Drain面积； 0.33MJ0.5,33,栅电容：CGS、CGD、CGB,交叠电容C1、C2（栅-体交叠电容）、C3,34,NMOS栅电容总结,35,三、MOS小信号模型,简化计算的线性模型； 在大信号电压和电流完全可以用直线表示时才有效； 基于大信号模型所实现，依
8、赖于大信号工作条件。,36,等效跨导gbd、gbs和沟道跨导gm、gmbs、gds,37,饱和区小信号跨导,38,非饱和区小信号跨导,39,四、Spice Level 3 Model,40,BSIM3V3 Model,工业标准MOS Spice仿真模型； 适用于亚微米、沈亚微米CMOS工艺； 充分考虑了阈值电压的减小、迁移率的退化、沟道长度调制效应、热电子效应等； 支持Hspice、Spectre等仿真工具；,41,MOSFET49级模型(Level=49, BSIM3V3),1995年10月31日由加州柏克莱分校推出.基于物理的深亚微米MOSFET模型. 可用于模拟和数字电路模拟。模型考虑了
9、 (1) 阈值电压下降, (2) 非均匀掺杂效应, (3) 垂直电场引起的迁移率下降, (4) 载流子极限漂移速度引起的 沟道电流饱和效应, (5) 沟道长度调制 (6) 漏源电源引起的表面势垒降低而使阈值电压下降的静电反馈效应. (7) 衬底电流引起的体效应 (8) 亚阈值导通效应 (9) 寄生电阻效应,42,共有166(174)个参数! 67个DC 参数 13个AC 和电容参数 2个NQS模型参数 10个温度参数 11个W和L参数 4个边界参数 4个工艺参数 8个噪声模型参数 47二极管, 耗尽层电容和电阻参数 8个平滑函数参数(在3.0版本中),MOSFET49级模型(Level=49,
10、 BSIM3V3),43,不同MOSFET模型应用场合,Level 1 简单MOSFET模型 Level 2 2m 器件模拟分析 Level 3 0.9m 器件数字分析 BSIM 1 0.8m 器件数字分析 BSIM 2 0.3m 器件模拟与数字分析 BSIM 3 0.5m 器件模拟分析与0.1m 器件数字分析 Level=6 亚微米离子注入器件 Level=50 小尺寸器件模拟电路分析 Level=11 SOI器件 对电路设计工程师来说, 采用什么模型参数在很大程度上还取决于能从相应的工艺制造单位得到何种模型参数.,44,五、Hspice仿真介绍,MOS晶体管的Netlist表达 M1 3
11、6 7 0 NCH W=100U L=1U 模型描述 .Model Model Name如“NCH”；Model Type如“PMOS” Model Parammeters如 Level=1 VTO-1 KP=50U GAMMA=0.5 LAMBDA=0.01,45,Hspice数据流程,46,Hspice输入文件格式（.sp）,Include files .INC and2.subckt Library Call .LIB /vlsi-data/eda_models/hspice/tsmc035/logsp35.l TT Netlist mp1 1 2 vdd! vdd! pch w=2.8
12、u l=0.6u mn1 1 2 gnd! gnd! nch w=1.4u l=0.6u C1 3 gnd! 250fF IC=3.3V R2 2 3 100meg Output Control .meas tran Tr TRIG v(in) val=3.3/2 TD=10n RISE=1 + TARG v(out) val=3.3/2 RISE=1 .meas tran Tf TRIG v(in) val=3.3/2 TD=10n FALL=1 + TARG v(out) val=3.3/2 FALL=1 .meas Tdelay param=(Tr+Tf)/2,47,Hspice激励介绍
13、（直流电压/电流源）,Vdc n1 n2 3.3,n1,n2,td,tper,v1,v2,tpw,tf,tr,Idc n3 n4 20m,Pulse : Vpul n1 n2 pulse( v1 v2 td tr tf tpw tper ),3.3V,20mA,n3,n4,48,Hspice分析类型,Transient analysis .TRAN 0.1n 100n UIC Operating Point .OP DC Sweep .DC vin 1V 5V 0.5V AC small signal analysis .AC LIN 1K 100MEG .AC DEC 1K 100MEG,Executing HSPICE % hspice myfile.sp ,49,MOS晶体管DC分析,50,两级CMOS OPA的Hspice仿真,51,Hspice仿真器用户界面,52,波形工具Awaves,53,查看仿真结果,54,分析仿真结果,55,分析仿真结果,56,N沟JFET的结构示意图和电路符号,六、NJFET介绍,
