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1、 1 CMOS器件模型及Hspice介绍 西安电子科技大学朱樟明 2 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 SpiceLevel3Model五 HSpice仿真介绍 3 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 4 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 5 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 6 a 单线和U 型电阻
2、结构 b 它们的等效电路 阻值计算最小宽度 7 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 8 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 9 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 10 总结 有源电阻的几种形式 a d 和 c 直流电
3、阻Ron交流电阻rds 11 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 12 a 叉指结构电容和 b MIM结构电容 13 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 14 电感 集总电感 单匝线圈版图 a w取微米单位 15 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 16 电感 电感精度 电感模型 17 传输线电感获得单端口电感的另一种方法是使用长度l l
4、 4 波长的短电传输线 微带或共面波导 或使用长度在l 4 l l 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 18 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 19 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 20 TEM波传输线的条件 GaAs衬底的厚度 200um 21 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 阻抗计算微带线的衰减 由两部分组成 导线损耗和介质损耗
5、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 h 1 w h 1 微带线 22 共面波导 CPW a b 常规共面波导 a 与双线共面波导 b 23 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 24 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
6、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 25 二 简单的MOS大信号模型 SpiceLevel1 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Level1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 26 NMOS跨导特性 VDS 0 1V 27 NMOS输出特性 VGS 2VT 28 NMOS输出特性 VGS 4VT 29 修正的Sah模型 30 衬底电压对NMO
7、S阈值电压VTH的影响 31 0 8umCMOS工艺的大信号模型参数 32 大信号NMOS的寄生电容 耗尽电容 CBD CBS栅电容 CGS CGD CGB 33 耗尽电容CBD CBS 其中ABD为Bulk Drain面积 0 33 MJ 0 5 34 栅电容 CGS CGD CGB 交叠电容C1 C2 栅 体交叠电容 C3 35 NMOS栅电容总结 36 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 依赖于大信号工作条件 37 等效跨导gbd gbs和沟道跨导gm gmbs gds 38 饱和区小信号跨导 39 非饱和区小信号
8、跨导 40 四 SpiceLevel3Model 41 BSIM3V3Model 工业标准MOSSpice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 42 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 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
9、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 43 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 BSIM3V3 44 不同MOSFET模型应用场合 Level1简单MOSFET模型Level22 m器件模拟分析Level30 9 m器件数字分析BSIM10 8 m器件数字分析BSIM20 3 m器件模拟与数字分析BSIM3
10、0 5 m器件模拟分析与0 1 m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 11SOI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 45 五 Hspice仿真介绍 MOS晶体管的Netlist表达M13670NCHW 100UL 1U模型描述 ModelModelName如 NCH ModelType如 PMOS ModelParammeters如Level 1VTO 1KP 50UGAMMA 0 5LAMBDA 0 01 46 Hspice数据流程 47 Hspice输入文件格式 sp
11、 Includefiles INC and2 subckt LibraryCall LIB vlsi data eda models hspice tsmc035 logsp35 l TTNetlistmp112vdd vdd pchw 2 8ul 0 6umn112gnd gnd nchw 1 4ul 0 6uC13gnd 250fFIC 3 3VR223100megOutputControl meastranTrTRIGv in val 3 3 2 TD 10n RISE 1 TARGv out val 3 3 2 RISE 1 meastranTfTRIGv in val 3 3 2 T
12、D 10n FALL 1 TARGv out val 3 3 2 FALL 1 measTdelayparam Tr Tf 2 48 Hspice激励介绍 直流电压 电流源 Vdcn1n23 3 n1 n2 td tper v1 v2 tpw tf tr Idcn3n420m Pulse Vpuln1n2pulse v1v2tdtrtftpwtper 3 3V 20mA n3 n4 49 Hspice分析类型 Transientanalysis TRAN0 1n100nUICOperatingPoint OPDCSweep DCvin1V5V0 5VACsmallsignalanalysis
13、ACLIN1K100MEG ACDEC1K100MEG ExecutingHSPICE hspicemyfile sp 50 MOS晶体管DC分析 51 两级CMOSOPA的Hspice仿真 52 Hspice仿真器用户界面 53 波形工具Awaves 54 查看仿真结果 55 分析仿真结果 56 分析仿真结果 57 N沟JFET的结构示意图和电路符号 六 NJFET介绍 58 结型场效应JFET NJF PJF 模型 JFET模型源于Shichman和Hodges给出的FET模型 其直流特性由反映漏极电流随栅极电压变化的参数VTO和BETA 确定输出电导的参数LAMBDA和栅 源结与栅 漏结饱和电流的参数IS共同描述 包含了RD和RS两个欧姆电阻 其电荷存储效应由随结电压的平方根变化的栅 源与栅 漏两个结的非线性耗尽层电容模拟 参数为CGS CGD和PB 59 Thanks
