第五章 集成电路设计技术与工具

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1、集成电路设计技术与工具 第五章 集成电路元器件及其SPICE模型内容提要 5.1 引言 5.2 集成无源元件及其SPICE模型 5.3 二极管及其SPICE模型 5.4 双极型晶体管及其SPICE模型 5.5 MOS场效应晶体管及其SPICE模型 5.6 模型参数提取技术 5.7 本章小结5.1 引 言 从电路的观点来看，集成电路可以认为是由 元器件组成的。所谓元件（Element）不妨认为是电阻、电容和电感等结构简单，性能可 用一个简单方程描述的单元。而器件（ Device）则不妨认为是晶体管类结构相对复杂，性能要用多个方程才能描述的单元。从 某种意义上说，器件可以由多个元件构成。5.1 引

2、 言在采用分立元器件设计电路的时代，人们通过选用元 器件在电路板上搭试，然后再利用信号源、电表和示 波器联合测试来检验电路性能。对于集成电路来说， 则不存在这样的搭试途径，因为元件和电路是一次性 完成制作的，且制作一旦完成，就无法修改。这就要 求在设计电路的时候就能非常准确地预测出电路的性 能。为了做到这一点，需要对电路尽可能地进行精确 的性能分析（Analysis）。因为集成电路元器件无法 用实物构建，必须首先建立器件模型，然后对用这些 元器件模型所设计的集成电路进行以分析计算为基础 的电路仿真（Simulation）。5.1 引 言 由于集成电路涉及成千上万只晶体管和其他元器件 ，对其进行

3、模拟计算已非人力可及。因此，在集成 电路与计算机互为依存、共同发展的年代，人们开 发出了用于集成电路模拟的各种各样的计算机程序 。在集成电路的晶体管级仿真方面，SPICE是主要 的电路仿真程序，并已成为工业标准。因此，集成 电路设计工程师，特别是模拟和数字混合信号集成 电路设计工程师必须掌握SPICE的应用。本章首先 讨论集成元器件的SPICE等效电路模型和模型的主 要参数。5.2 集成无源器件及其SPICE模 型 集成电路元器件可以分为无源和有源两类。无 源元件包括电阻、电容、电感、互连线、传输 线等，有源器件就是各类晶体管。前面的章节 已经介绍了在集成电路设计中起着决定性作用 的有源器件的

4、工作原理和制造工艺。事实上， 利用这些工艺，可以同时实现大部分结构的无 源元器件。下面将对电阻、电容和电感等基本 无源元器件的集成实现形式及其数学描述加以 介绍。一、集成电阻SPICE程序中有专用的语句定义电阻元件R ，其主要参数为：电阻值R0和电阻温度系数。高频应用时，电阻等效模型还需要考虑其 寄生电容和寄生电感值。下面首先介绍集成电阻的制造方法，然后讨 论其版图几何图形设计、阻值计算、温度系 数以及高频等效电路模型。集成电阻的类型1）多晶硅电阻掺杂多晶硅电阻与CMOS、BiCMOS等硅基 集成电路的制造工艺兼容，是一种很好的电阻 材料，这种电阻被厚氧化物所包围，其阻值取 决于掺杂浓度。通常

5、，形成MOS器件栅极的多 晶硅需要有低的电阻率，因此是重掺杂的；而 形成具有一定电阻值的多晶硅则是轻掺杂的。 2)掺杂半导体电阻分为扩散电阻和离子注入电 阻集成电阻的类型3）阱电阻阱电阻有N阱或P阱电阻两种。阱电阻的阻值大但精度差。4）合金电阻常用的合金材料有：钽（Ta）、镍铬（ Ni-Cr）、氧化锌（SnO2）和铬硅氧（ CrSiO）。 5.2.1.2集成电阻的几何图形设计 1）几何形状b 直线宽条电阻c 弯折窄条电阻a 直线窄条电阻e 分段弯折宽条电阻d 弯折宽条电阻2）几何尺寸设计在电阻的制作过程中，由加工引起的误差，如制版和光刻过程中的图形宽度误差等，会使电阻的实际尺寸偏离设计尺寸，导

6、致电阻值的误差。电阻条图形的宽度w越宽，相对误差w/w就越小，反之则越大。与宽度相比，长度的相对误差l/l则可忽略。因此，对于有精度要求的电阻，其宽度选择不仅要考虑能够承受的电流外，还要考虑精度要求。5.2.1.3集成电阻的阻值计算 为了便于计算集成电阻的阻值，人们引入了方块电阻的概念。图5.3 方块电阻的几何图形矩形金属薄膜的电阻当l=w时，电 阻为最后得到计算 集成电阻阻值 的最基本公式表 5.1 0.51.0 m MOS工艺中 导电层材料的典型方块电阻值 （单位:/口）材 料最小值典型值最大值 互连金属0.050.070.1 顶层金属0.030.040.05 多晶硅152030 硅 -金

7、属氧化物236 扩散层1025100 硅氧化物扩散2410 N阱（或P阱）1k2k5k不同电阻条宽和端头形状的端头修正因子 5.2.1.4电阻温度系数 电阻温度系数TC是指温度每升高1时，阻值相对变化量。 在SPICE程序中，考虑温度系数时，电阻的计算公式修正为T为工作温度；TC1为一阶温度系数；TC2为二阶温度系数 ； 为标准温度，一般取27， 为标准温度时的电阻 值5.2.1.5集成电阻的高频等效电路当集成电阻工作在几百MHz以上频率时，应该 考虑电阻引线与电阻条的电感。这时，集成电 阻可以等效为下图所示的双端口电路，其 SPICE模型由这个包含五个元件的子电路来描 述，其中，L为电阻引线

8、与电阻条的电感， 为反映两电极之间电场耦合的电容， 和 为两电极的对地电容。集成电阻的高频双端口等效电路（a）物理结构剖面图 图5.6 基区电阻等效模型其中S是衬底，n端接 电路的最高位，其目 的是防止电阻器的 PN结正偏而失效。 由于基区PN结总是 反偏的，则可将图（ a）等效为图（b）所 示的三个反偏二极管 结构，进一步又得到 图（c）的等效模型 。（b）等效的器件级模型 （c）等效的集总参数模型 5.2.1.6有源电阻 除了薄层集成电阻外，工作在特定偏置条件下并作适当连接的晶体管表现出电阻特性，可 用作电路中的电阻元件，并称之为有源电阻 。增强型NMOS作有源电阻 增强型PMOS作有源电

9、阻 图5.8栅极加偏置的NMOS有源电阻及其电流-电压曲线 图5.8给出了增强型NMOS管做有源电阻时的另一种 连接方法及其电流电压特性曲线。图中，NMOS 晶体管的栅极加偏置电压 。当该NMOS管工作在 饱和区时，理想情况下其漏源电流不随漏源电压变 化，O点的交流电阻为无穷大，实际上由于沟道长度 调制效应，该交流电阻为一个有限值，但远大于工 作点上的直流电阻。也就是说，工作在饱和区的 NMOS器件所表现出来的交流电阻几乎不变，而直 流电阻则随着漏源直流工作点电压变大而变大。图5.9 几种MOS有源电阻的连接形式 （a）增强型 NMOS管栅极 加偏置（b）增强型 NMOS管栅 漏短接（c）耗尽

10、型 NMOS管栅源 短接（d）增强型PMOS 管栅极加偏置（e）增强型 PMOS管栅漏短接5.2.2、集成电容器 在集成电路中，有多种电容结构： 1）金属-绝缘体-金属（MIM）结构； 2）多晶硅/金属-绝缘体-多晶硅结构； 3）金属叉指结构 4）PN结电容； 5）MOS电容。这些结构的电容可以是有意设计的电容 元件，也可能是不可避免的寄生电容。 5.2.2.1平板电容 SPICE程序中定义的电容元件C是以平板电容为标准的，主要参数为：电容值C0、电容温度系数与高频寄生参数。 集成电路中可以采用多种材料结构的平板电 容。最标准的是金属-绝缘体-金属（MIM）结构，其他包括金属-绝缘体-多晶硅结

11、构和金属-绝缘体-重掺杂半导体结构等。 图5.10 制作在砷化镓半绝缘衬底上的MIM电容结构 平板电容计算公式：单位面积电容的定义： SPICE程序中，考虑温度系数时的电容计算式： 对MIM电容，它的下极板寄生电容值为主电容值 的1/10；而对于多晶硅扩散层电容，其下极板 寄生电容和主电容为同一数量级。对于高频和高 速集成电路应用，电容不仅有电容器的特征，而 且会有一个并联寄生电导G，串联电感L和电阻R 以及两电极的对地电容 和 。因此这样一个 电容器的SPICE模型最好用一个包含六个元件的 子电路来描述，如下图图 5.11电容高频等效模型 5.2.2.2金属叉指结构电容 叉指结构电容 的优点

12、是不需 额外的工艺， 其电容值有望 做到pF量级。5.2.2.3 PN结电容 利用PN结电容的优点也是不需要额外的工艺，但所 实现的电容有一个极性问题。 所有的PN结电容都是非线性的，电容值是两端电压 的函数。 在大信号线性放大器中，PN结电容的非线性会引起 电路的非线性失真。 任何PN结都有漏电流和从结面到金属连线的体电阻 ，因而，结电容的品质因数通常比较低。 结电容的参数可以采用二极管和晶体管结电容同样 的方法进行计算，其SPICE模型直接运用相关二极 管或三极管器件的模型。5.2.2.4 MOS结构电容 MOS结构电容的SPICE模型就直接运用MOS器 件的模型。与平板电容和PN结电容都

13、不相同的 是，MOS核心部分，即金属-氧化物-半导体层 结构的电容具有独特的性质，其栅极与衬底之 间的电容Cgb与栅极电压Vgb之间的关系取决 于半导体表面的状态。随着栅极电压的变化， 表面可处于 积累区 耗尽区 反型区（a）物理结构 （b）电容与Vgs的函数关系 图5.13 MOS电容5.2.3、集成电感在集成电路开始出现以后很长一段时间内，人 们一直认为电感是不能集成在芯片上的。因为 那时集成电路工作的最高频率在兆赫量级，芯 片上金属线的电感效应非常小。现在的情况就 不同了，首先，近二十年来集成电路的速度越 来越高，射频集成电路（RFIC）已经有了很大的发展，芯片上金属结构的电感效应变得越

14、来 越明显。芯片电感的实现成为可能。 图5.15 单匝线圈电感版图 集成电感的两种形 式1）单匝线圈（如右 图）图5.16 多匝线圈的实物照片 2）圆形、方形或其他螺旋形多匝线圈（如下图 ）（a）螺旋形圆形（b）直角形5.3 二极管及其SPICE模型PN结是微电子器件的基本结构之一，集成电 路和半导体器件的大多数特性都是PN结相互 作用的结果。如果通过某种方法使半导体中 一部分区域为P型，另一部分区域为N型，则 在其交界面就形成了PN结。 一般的二极管就是由一个PN结构成的，以 PN结构成的二极管的最基本的电学行为是具 有单向导电性，这在实际中有非常大的用处 。5.3.1 二极管的电路模型 图

15、5.17 二极管等效电路模型端电压V与结电压 的关系二级管电流饱和电流在高频下，PN结的势垒电容Cj和扩散电容Cd 变得很重要。势垒电容Cj计算表达式为：扩散电容Cd计算表达式为： 参数名公式中符号SPICE中符号单位SPICE中缺省值饱和电流ISISA1.0E-14发射系数nN-1串联体电阻RSRS0渡越时间TTTSec0零偏置时的势垒电容Cj0CJ0F0梯度因子mM-0.5PN结内建势垒V0VJV1表5.2 二极管模型参数对照表 5.3.2 二极管的噪声模型 1）热噪声：二极管的热噪声是由寄生电阻 产生的2）闪烁（1/f）噪声和散粒噪声： 二极管的噪声是假设在1Hz宽带时计算下列噪声的功

16、率谱密度。理想二极管产生的1/f噪 声和散粒噪声表示为其中KF为噪声系数；AF为噪声指数5.4 双极型晶体管及其SPICE模型Ebers-Moll（即EM）模型和Gummel-Poon（即GP）模型是SPICE中的最常用的双极型晶体管模型。这两种模型均属于物理模型，其模型参数能较好地反映物理本质并且易于测量，便于理解和使用。一、双极型晶体管的EM模型 图5.18 EM直流模型器件各端点变量之间的关 系如下：尽管NPN（或PNP）晶体管可以设想为 在两个N（或P）沟道层之间夹着一个P（ 或N）型区的对称型三层结构。然而，根 据第4章介绍的双极型晶体管版图可知， NPN（或PNP）晶体管的集电区与发射区的形状及掺杂浓度都不一样，从而导致了 R与F的巨大差别，因此这两个电极不能互换。图5.19 EM2模型 图5.20 EM小信号等效电路 参数名公式中符号 SPICE中符号 单位S