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1、第三章 SPICE中的器件模型 集成电路模拟程序SPICE SPICE在集成电路的晶体管级模拟方面，成为 工业标准的模拟程序。 集成电路设计工程，特别是模拟和模拟数字混 合信号集成电路设计工程师必须掌握SPICE的 应用。 下面重点给出无源集成元器件的SPICE电路模 型和相应的模型参数。 3.1 对器件模型的要求 电路模拟与设计需要建立元器件精确模型。 器件模型精度与计算量成反比，应在满足精度要求条件 下采用尽量简单的模型（Compact Model）。 除器件模型外，应当使模型各参数有明确物理意义并与 器件结构和工艺参数有直接的联系。 器件模型有两种构成方法：一是从工作原理出发，通过 数学
2、推导得出，该方法得出的模型有明确的物理意义； 另一种是把器件当作“黑盒子”，从器件外部特性出发， 得出外部特性数学关系。 Spice程序所包含的元器件种类如下： (1)无源元件：它们是电阻、线性和非线性电容、线性和非线 性电感、互感和磁芯、无损耗传输线、压控开关和流控开 关。(2)半导体器件：它们是半导体二极管、双极型晶体管、结 型场效应晶体管、MOS场效应晶体管、砷化镓场效应管和 可控硅器件等。(3)电源：它们是独立电压源、独立电流源、四种线性和非 线性受控源(VCVS， VCCS，CCCS，CCVS)。独立源中 除了直流源外还有交流小信号源和瞬态源。(4)子电路：在Spice中允许用户将上
3、述三类元件组成的电路 定义为子电路。子电路大小不限，可以嵌套。当电路由多 个这样子电路组成时，这种定义是很方便的。但在实际模 拟时，程序仍然是以上述三类元件为基本单元来计算的。(5)宏模型：spice中的宏模型包括表格宏模型、数学函数宏 模型和由Spice，已有的各类模型组合起来形成的构造型宏 模型。 n 集成电路中的电阻分为 ：l 无源电阻通常是合金材料或采用掺杂半导体制作的电阻 l 有源电阻将晶体管进行适当的连接和偏置，利用晶体管的不同的工作区所表现出来的不同的电阻特性来做电阻。 薄层集成电阻器u 合金薄膜电阻 u 多晶硅薄膜电阻 采用一些合金材料沉积在二氧化硅或其它介电材料表面，通过光刻
4、形成电阻条。常用的合金材料有： （1）钽（Ta）； （2）镍铬（Ni-Cr）；（3）氧化锌SnO2；（4）铬硅氧CrSiO。 掺杂多晶硅薄膜也是一个很好的电阻材料，广泛应用于硅基集成电路的制造。 u 掺杂半导体电阻 薄层集成电阻器不同掺杂浓度的半导体具有不同的电阻率，利用掺杂半导体的电阻特性，可以制造电路所需的电阻器。根据掺杂方式，可分为：l 离子注入电阻l 扩散电阻对半导体进行热扩散掺杂而构成的电阻 离子注入方式形成的电阻的阻值容易控制，精度较高。 薄层电阻的几何图形设计常用的薄层电阻图形 薄层电阻图形尺寸的计算方块电阻的几何图形 R材料最小值典型值最大值互连金属0.050.070.1顶层金
5、属0.030.040.05多晶硅152030硅-金属氧化物236扩散层1025100硅氧化物扩散2410N阱（或P阱）1k2k5k0.5-1.0m MOS工艺中作为导电层的典型的薄层电阻阻值单位:/口薄层电阻端头和拐角修正不同电阻条宽和端头形状的端头修正因子 薄层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：薄层电阻射频等效电路芯片上的薄层电阻的射频双端口等效电路： 衬底电位与分布电容： 有源电阻 有源电阻是指采用晶体管进行适当的连接 并使其工作在一定的状态，利用它的直流 导通电阻和交流电阻作为电路中的电阻元 件使用。
6、 双极型晶体管和MOS晶体管可以担当有源 电阻。有源电阻MOS有源电阻及其I-V曲线 直流电阻： 交流电阻：RonVGS=V 有源电阻有源电阻的几种形式： 饱和区的NMOS有源电阻示意图： 集成电容器n 在集成电路中，有多种电容结构：l 金属-绝缘体-金属(MIM)结构l 多晶硅/金属-绝缘体-多晶硅结构 l 金属叉指结构l PN结电容l MOS电容 平板电容制作在砷化镓半绝缘衬底上的MIM电容结构： 考虑温度系数时，电容的计算式为：平板电容电容模型等效电路： 固有的自频率： 金属叉指结构电容PN结电容 突变PN结电容计算公式： l 任何pn结都有漏电流和从结面到金属连线的体电阻，结电容的品质
7、因数通常比较低。l 结电容的参数可采用 二极管和晶体管结电容同样的方法进行计算。PN结电容 电容值依赖于结面积，例如二极管和晶 体管的尺寸。 PN结电容的SPICE模型就直接运用相关 二极管或三极管器件的模型。MOS结构电容平板电容和PN结电容都不相同，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。它的电容-电压特性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： l 积累区 l 耗尽区 l 反型区 MOS结构电容MOS电容 (a)物理结构 (b)电容与Vgs的函数关系MOS结构电容MOS动态栅极电容与栅极电压的函数关系 电 感集总电感可以有下列两种形式：单匝线圈多
8、匝螺旋型线圈 多匝直角型线圈 硅衬底上电感的射频双端口等效电路： 传输线电感单端口电感的另一种方法是使用长度l0/2时，CJ可以由线性外推法计算出近似值。式中FC是正偏耗尽层电容系数，m是PN结梯度因子，D 是渡越时间，F1，F2和F3是常数，由FC决定：电荷存储参数QD与电容CD的关系如下：二极管大信号模型用来描述CD的参数有：TT 渡越时间（D）；CJ0 零偏置结电容（Cj（0）；M PN结梯度因子（m）；VJ PN结自建电势 （0）FC 正偏耗尽层电容公式系数（FC） 小信号模型 二极管小信号模型见图，小信号电导定义为：而电容CD为3 二极管的温度模型饱和电流IS与温度变化的关系如下：式
9、中XTI是饱和电流IS的温度指数，Tnorm是默 认工作温度值（27），T是新设置的工作温 度值。结电势0与温度T关系如下：300K时禁带宽度Eg(0)和Eg(T)的方程如下：硅型PN结实验结果是： =7.0110-4，1108，Eg(0)=1.16eV 结电容Cj(0)受温度控制的关系为： 二极管模型的总参数表如下所示：公式符号参数名 定 义 默认值 单 位IS IS饱和电流110-14 ArS RS寄生串联电阻 0 n N发射系数 1D TT渡越时间 0 sCD(0) CJ0零偏结电容 0 F0 VJPN结内建电势 1 Vm MPN结梯度因子 0.5公式符号 参数名 定 义 默认 值单 位
10、E g EG禁带宽度：1.11； SBD 0.69；锗0.671.11 eVPt XTIIS温度指数:PN结二 极管3.0；SBD2.13.0FC FC正偏耗尽层电容系数 0.5BV BV反向击穿电压BV VIBVIBV反向击穿电流IBV 103 A K f KF闪烁噪声系数Kf 0A fAF闪烁噪声指数Af 1 如何提取二极管模型参数？ 以直流模型为例有两个直流参数IS和n，在 条件下，有两边取对数，有由测量值在半对数坐标中作图， 即可得出两个直流参数IS和n。7.2 双极型晶体管模型SPICE的双极型晶体管（BJT）模型参数包括：模型 的直流、交流小信号特性，温度、噪声性能 ，各种电容效
11、应和半导体物理属性等。双极型晶体管有两种模型：（1） Ebers-Moll（即EM）模型Ebers和Moll于1954年提出 （2）Gummel-Poon（即GP）模型 Gummel和Poon 于1970年提出SPICE中GP模型有四十多个参数，某些参数未给出，则自动简化成EM模型。 BJT模型的偏置方式 PSpice的BJT模型如图所示。BJT模型定义为基极发射极 偏置和基极集电极偏置的方式工作。集电极c注入空穴- Vbe+Ib发射极eIe-Vbe+Ic复合电子 正向偏置 反向偏置NPN基极b发射结 发射的电子集电结 收集的电子NPN型BJT偏置方式1、Ebers-Moll 模型 Ebers
12、Moll 模型有简单直观的特点，它给出各极电流与 外偏压的关系。 忽略基区宽度随VBC的变化，得B+VBCCIRIFEVBEFIFRIREM直流模型F和R分别为共基极BJT的大 信号正、反向电流增益。IF和 IR分别是发射结正向传输电流 和集电结反向传输电流，其表 达式为：IES ，ICS定义分别为基极发射极和基极集电极的饱和 电流： 极电流可以表示为：定义IS为晶体管传输饱和电流，可得：传输模式电流ICC ，IEC的定义分别为：Ebers-Moll静态模型的拓扑结构可以改变为EM模型的形式：这样，极电流则可分别 表示为：+ IbVBCIEC/RICC/REB +VBECIcIeICT=ICC
13、-IECEM模型的形式 Ebers-Moll模型的电阻如右图所示，此模型 有三种常数值电阻RC， RE和RB，用以改善模型的直流特性。B+ IBVBCIEC/RICC/R+VBEIeICT=ICC-IECRB-BRCCIC CE REE Early效应（基区宽度调制效应）Early效应即基区宽度调制效应如图所示。基区宽度 调制是通过集电极基区反向偏压改变来改变电基极 宽度(WB)的值，从而使饱和区输出特性曲线向上弯曲 。 Early电压(VA)会影响基极模型的IC，IB电流方程。VAF 为正向Early电压，VAR为反向Early电压。 可见EM基本模型直流参数有8个：IS, F, R, RB
14、, RE, RC, VA F, VA RIC-VA0VCE 再考虑晶体管中电荷存储效应，就得到Ebers-Moll 大信 号模型如图所示： 电荷存储效应引入三种类型的电容：两个非线性结电容 （CJE, CJC），两个非线性扩散电容（CDE, CDC）和一个 集电极-衬底电容（ CJS）。BRBIBCDCCDECJCCJE-VBC + VBE -CRCICIEC/RICC/FBCEREIE ECJSICT=ICC-IEC 与PN结相似，BJT的Spice电容电压控制方程如下：其中F和R分别是理 想正、反向渡越时间 。 考虑电容后，模型参数增加了12个：CJE（0）, CJC （0）, CJS （
15、0）,E,C,S, mE,mC, mS, F，R 和 FC。 在考虑温度模型和噪声模型，还应该增加5个参数： E g， XT， XTI，K f，Af,(a) 饱和电流随温度的变化(b)电流放大系数随温度的变化(c)串联电阻随温度的变化 (d) 内建电势随温度的变化（e）势垒电容随温度的变化EM小信号等效电路模型 gmF：正向区跨导r：输入电阻r0：输出电阻gmR：反向区跨导r：集电极-基极电阻C ：基极-集电极电容CCS ：集电极-衬底电容C：发-基极等效电容2. Gummel-Poon模型 Spice的Gummel-Poon模型是一种适合于晶体管各工作 区的非线性模型，它考虑了低电流效应、大电流注入效 应、基区宽度调制效应、基极电阻随电流和偏压的变化 ，以及拟饱和效应等。 F(理想最大正向电流增益)值随IC电流变化如下图所示。 其中区域是低电流区，F随IC增长而增加；区域是中 电流区，F 近似于常数；区域是高电流区，F随IC增 加而降低。FILIKFICFM11/nEL-1区域区域区域 VBC=0时I
