集成电路器件及SPICE模型

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1、第6章 集成电路器件及 SPICE模型16.1 无源器件结构及模型6.2 二极管电流方程及SPICE模型6.3 双极晶体管电流方程及SPICE模型6.4 结型场效应管JFET模型6.5 MESFET模型6.6 MOS管电流方程及SPICE模型6.7 SPICE数模混合仿真程序的设计流程及方法26.1 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 36.1.1 互连线n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 46.1.2 电阻n实现电阻有三种方式： 1.晶体管结构

2、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图 (a)单线和U-型电阻结构(b)它们的等效电路 阻值计算 最小宽度6图6.2 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 rds1. 栅、漏短接并工作在饱和区的MOS有源电阻 7图6.3 饱和区的NMOS有源电阻示意图直流电阻 Ron交流电阻 rds106.1.3 电容n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）利用图6.5(a)所示的叉指金属结构； 3）利用图6.5(b)所示的金属-绝缘体-金属 (MIM)结构； 4）利用类似于图6

3、.5(b)的多晶硅/金属-绝 缘体-多晶硅结构；11图6.5 (a)叉指结构电容和(b)MIM 结构电容 12电容n平板电容公式n高频等效模型n 自谐振频率 f0 n品质因数 Qf 121共面波导(CPW)(a) (b) 图 常规共面波导(a)与双线共面波导(b)22nCPW传输TEM波的条件nCPW的阻抗计算n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nCPW的衰减计算23n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

4、接地电感。 4）低的阻抗和速度色散。nCPW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。246.1 无源器件结构及模型6.2 二极管电流方程及SPICE模型6.3 双极晶体管电流方程及SPICE模型6.4 结型场效应管JFET模型6.5 MESFET模型6.6 MOS管电流方程及SPICE模型6.7 SPICE数模混合仿真程序的设计流程及方法（见CH06-2课件）256.2 二极管电流方程及SPICE模型集成电路和半导体器件的各类特性都是PN结相互作用的结果，它是微电子器件的基础。如果 通过某种

5、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。 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。26图6.9 二极管等效电路模型 Cj和Cd分别代表PN结的势垒电容和扩散电容。 RS代表从外电极到结的路径上通常是半导体材料的电阻， 称之为体电阻。 27 表6. 1 二极管模型参数对照表 286.2.2 二极管的噪声模型1.热噪声 在寄生电阻RS上产生的热噪声：2. 闪烁（1/f）噪声和散粒噪声 理想二极管产生的1/f噪声和散粒噪声：296.1 无源器件结构及模型6.2 二极管电流方程及SPICE模型6.3 双极晶体管电流方程及SPICE模型6.4 结型

6、场效应管JFET模型6.5 MESFET模型6.6 MOS管电流方程及SPICE模型6.7 SPICE数模混合仿真程序的设计流程及方法（见CH06-2课件）306.3 双极晶体管电流方程及SPICE模型SPICE中的双极型晶体管模型常采用Ebers-Moll（即EM）模型和Gummel-Poon（即GP）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且易于测量，所以便于理解和使用。31图6.10 EM直流模型 32n由于这种EM模型将电流增益作为频率的函数来处理，对计算晶体管存贮效应和瞬态 特性不方便，所以改进的EM模型用了电荷控制观点，即增加电容到模型中。并进一 步考虑到发射

7、极、基极和集电极串联电阻 ，以及集成电路中集电结对衬底的电容， 于是得到EM2模型。33图6.11 EM2模型 34图6.12 EM小信号等效电路 35表6.2 双极型晶体管部分模型参数在SPICE中的符号名称 36nGP模型是1970年由HKGummel和HCPoon提出 的。 GP模型对EM2模型在以下几方面作了改进： 1.直流特性：反映了集电结上电压的变化引起有效基区宽 度变化的基区宽度调制效应，改善了输出电导、电流增 益和特征频率。反映了共射极电流放大倍数随电流和电 压的变化。2.交流特性：考虑了正向渡越时间F随集电极电流IC的变 化，解决了在大注入条件下由于基区展宽效应使特征频 率f

8、T和IC成反比的特性。3.考虑了大注入效应，改善了高电平下的伏安特性。4.考虑了模型参数和温度的关系。5.根据横向和纵向双极晶体管的不同，考虑了外延层电荷 存储引起的准饱和效应。37图6.13 GP直流模型 38图6.14 GP小信号模型 GP小信号模型与EM小信号模型十分一致， 只是参数的值不同而已。 396.1 无源器件结构及模型6.2 二极管电流方程及SPICE模型6.3 双极晶体管电流方程及SPICE模型6.4 结型场效应管JFET模型6.5 MESFET模型6.6 MOS管电流方程及SPICE模型6.7 SPICE数模混合仿真程序的设计流程及方法（见CH06-2课件）40N沟JFET

9、的结构示意图和电路符号41结型场效应 JFET ( NJF/PJF ) 模型 nJFET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。 42表6.3 JFET的SPICE模型参数436.1 无源器件结构及模型6.2 二极管电流方程及SPICE模型6.3 双极晶体管电流方程及SPICE模型6.4 结

10、型场效应管JFET模型6.5 MESFET模型6.6 MOS管电流方程及SPICE模型6.7 SPICE数模混合仿真程序的设计流程及方法（见CH06-2课件）44nMESFET模型源于Statz等给出的GaAs模型n其直流特性由反映漏极电流随栅极电压变化的参数VTO 、B和BETA，并由确定饱和电压的参数ALPHA和确定 输出电导的参数LAMBDA共同描述，表达式为n模型 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。45n表6.4 MESFET的SPICE模型参数466.1 无源器件结构及模型6

11、.2 二极管电流方程及SPICE模型6.3 双极晶体管电流方程及SPICE模型6.4 结型场效应管JFET模型6.5 MESFET模型6.6 MOS管电流方程及SPICE模型6.7 SPICE数模混合仿真程序的设计流程及方法（见CH06-2课件）47SPICE集成电路分析程序与MOSFET模型HSpice中常用的几种MOSFET模型Level=1 Shichman-Hodges Level=2 基于几何图形的分析模型Grove-Frohman Model (SPICE 2G)Level=3 半经验短沟道模型 (SPICE 2G)Level=49 BSIM3V3BSIM, 3rd, Versio

12、n 3Level=50 Philips MOS948MOSFET一级模型(Level=1)描述I和V的平方率特性, 它考虑了衬底调制效应 和沟道长度调制效应.n非饱和区n饱和区KP=Cox本征跨导参数 Cox =ox/Tox单位面积的栅氧化层电容 LO有效沟道长度, L版图栅长, LD沟道横向扩散长度49MOSFET一级模型(Level=1) (续)MOSFET的阈值电压Vto本质上由栅级上的电 荷, 绝缘层中的电荷和沟道区电荷之间的平衡 决定 的, 表达式为:VTO是 Vbs=0时的阈值电压 Vbs是衬底到源区的偏压 为体效应阈值系数, 它反映了Vto随衬-源偏置 Vbs 的变化, 表达式为

13、:50MOSFET一级模型(Level=1)(续)NSUB为衬底(阱)掺杂浓度, 它也决定了体内费米势F当半导体表面的费米势等于F时,半导体表 面处于强反型, 此时表面势 PHI=2F n型反型层 PHI0, p型反型层 PHI0VFB称之为平带电压, 它是使半导体表面能带和体 内能带拉平而需在 栅级上所加的电压.MS为栅金属与半导体硅的功函数之差除以电子 电荷. 其数值与硅的掺杂类型, 浓度以及栅金属材料有 关.VFB = MS QSS/COX51MOSFET一级模型(Level=1)(续)栅材料类型由模型参数TPG决定.栅氧化层与硅半导体的表面电荷密度QSS=qNSSNSS为表面态密度,

14、其模型参数为NSS.N沟道硅栅增强型MOSFET: VFB -1.2V, PHI0.6VN沟道硅栅耗尽型MOSFET: VFB -0.60.8V模型参数LAMBDA()为沟道长度调制系数. 其 物理意义为MOSFET进入饱和区后单位漏-源电 压引起的沟道长度的相对变化率.52MOSFET一级模型直流特性涉及的模型参数VTOVTO衬底零偏置时源阈值电压 KP本征跨导参数 GAMMA 体效应阈值系数 PHI 2F强反型使的表面势垒高度 LAMBDA 沟道长度调制系数 UO o/n表面迁移率 L沟道长度 LD沟道长度方向上横向扩散长度 W沟道宽度 TOX TOX栅氧化层厚度 TPG栅材料类型 NSU

15、B NSUB衬底(阱)掺杂浓度NSS NSS表面态密度.53VTO, KP, GAMMA, PHI, LAMBDA是 器件参 数.TOX, TPG, NSUB, NSS是工艺参数.若用户仅给出了工艺参数, SPICE会计算出相 应的器件参数.MOSFET一级模型直流特性涉及的模型参数IS:衬底结饱和电流(省缺值为0) JS衬底结饱和电流密度 N:衬底PN结发射系数 AS:源区面积 PS:源区周长 AD:漏区面积 PD:漏区周长 JSSW:衬底PN结侧壁单位长度的电流54上列8个参数用于计算 1) 衬底电流2) 衬-源PN结漏电流3) 衬-漏PN结漏电流其中,MOSFET一级模型直流特性涉及的模

16、型参数Iss= ASJS + PSJSSW Ids= ADJS + PDJSSWIb=Ibs + Ibd55MOSFET二级模型方程 n取消了渐变沟道近似分析法中的一些简化假设 。n特别是在计算整体耗尽电荷时，考虑到了沟道 电压的影响。n同时对基本方程进行一系列半经验性的修正, 包 括表层载流子迁移率随栅极电压的变化, 引入了 衬底掺杂拟合参数NA，反映载流子速率饱和特 性的拟合参数Neff, 确定亚阈值电压电流特性 曲线的斜率快速表面态匹配参数NFS等。n本质上也包括了短、窄沟道效应的相关方程。 56MOSFET三级模型,半经验短沟道模型(Level=3)精确描述各种二级效应, 又节省计算时间.计算公式中考虑了 1 ) 漏源电源引起的表面势