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1、Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系第五章第五章 集成无源器件及集成无源器件及SPICESPICE模型模型5.1 5.1 引言引言5.2 5.2 集成无源器件及集成无源器件及SPICESPICE模型模型5.3 5.3 二极管及其二极管及其SPICESPICE模型模型5.4 5.4 双极型晶体管及其双极型晶体管及其SPICESPICE模型模型5.5 5.5 MOSMOS场效应晶体管及其场效应晶体管及其SPICESPICE模型模型5.6 5.6 模型参数提取技术模型参数提取技术Funda
2、mentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系5.1 引言引言集成电路可以认为是由元器件组成的。集成电路可以认为是由元器件组成的。 元件元件(Element)：如电阻、电容、电感等结构简单，性能：如电阻、电容、电感等结构简单，性能可用一个简单方程描述的单元。可用一个简单方程描述的单元。 器件器件(Device)：如晶体管一类结构相对复杂，性能要用：如晶体管一类结构相对复杂，性能要用多个方程才能描述的单元。从某种意义上来说，器件可以由多个方程才能描述的单元。从某种意义上来说，器件可以由多个元件构成。多个元
3、件构成。元器件可以分为两大类：元器件可以分为两大类：1.无源器件无源器件: 包括电阻、电容、电感、互连线、传输线包括电阻、电容、电感、互连线、传输线等。等。2.有源器件有源器件: 各类晶体管。各类晶体管。 Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系集成电路模拟程序集成电路模拟程序SPICE (SPICE (Simulation Program with Simulation Program with Integrated Circuit EmphasisIntegrated Circuit
4、 Emphasis ) )pSPICESPICE在集成电路的晶体管级模拟方面，成为工业标准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。的模拟程序。p集成电路设计工程，特别是模拟和模拟数字混合信号集集成电路设计工程，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成电路设计工程师必须掌握SPICESPICE的应用。的应用。p本章我们将重点给出无源及有源集成元器件的本章我们将重点给出无源及有源集成元器件的SPICESPICE电电路模型和相应的模型参数。路模型和相应的模型参数。Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料
5、与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系5.2.1 薄层集成电阻器薄层集成电阻器集成电路中的电阻分为：集成电路中的电阻分为：1.1.无源电阻无源电阻通常是合金材料或采用掺杂半导体制作的电阻通常是合金材料或采用掺杂半导体制作的电阻 。2.有源有源电阻电阻 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。工作区所表现出来的不同的电阻特性来做电阻。这两种电阻的工作原理、物理结构及器件模型都不相同，这两种电阻的工作原理、物理结构及器件模型都不相同，下面将分别加以讨论。下面将分别加以讨论。在平面工艺集成电路中，无论
6、是有意设计的无源电阻器件，在平面工艺集成电路中，无论是有意设计的无源电阻器件，还是无意设计但客观存在的寄生电阻，大都呈薄层形状。还是无意设计但客观存在的寄生电阻，大都呈薄层形状。Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系掺杂多晶硅薄膜是一个很好的电阻材料，广泛应用于硅基掺杂多晶硅薄膜是一个很好的电阻材料，广泛应用于硅基集成电路的制造。集成电路的制造。 同同MOSMOS管的栅极同时制作，阻值管的栅极同时制作，阻值一般为几十欧姆一般为几十欧姆。若要较高若要较高阻值，要通过增加第二层多晶硅来制作
7、。阻值，要通过增加第二层多晶硅来制作。阻阻值值一一般为几百欧姆般为几百欧姆。特点：特点：p制作方便，应用广泛制作方便，应用广泛p仍有寄生电容仍有寄生电容1)1)多晶硅薄膜电阻多晶硅薄膜电阻 Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系不同掺杂浓度的半导体具有不同的电阻率，利用掺杂半导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。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：扩散电阻和离子注入电阻根据掺杂方式，可分为：扩散电阻和离子注
8、入电阻。扩散电阻扩散电阻：对半导体进行热扩散掺杂而构成的电阻：对半导体进行热扩散掺杂而构成的电阻 u可制作可制作P P型掺杂电阻、型掺杂电阻、N N型掺杂电阻、沟道电阻等型掺杂电阻、沟道电阻等u特点：特点：p工艺简单且兼容性好工艺简单且兼容性好p精度稍差精度稍差2)2)掺杂半导体电阻掺杂半导体电阻Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系离子注
9、入电阻离子注入电阻：对半导体进行离子注入掺杂而构成的电阻。：对半导体进行离子注入掺杂而构成的电阻。特点：特点：p阻值容易控制，精度较高阻值容易控制，精度较高p横向扩散小横向扩散小Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系在在N N阱两端用阱两端用N+N+漏漏/ /源扩散做欧姆接触就形成源扩散做欧姆接触就形成N N阱电阻。阱电阻。在在P P阱两端用阱两端用P+P+漏漏/ /源扩散做欧姆接触就形成源扩散做欧姆接触就形成P P阱电阻。阱电阻。 u特点：特点：p阱电阻阻值大，精度差。阱电阻阻值大，
10、精度差。3)3)阱电阻阱电阻Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系采用一些合金材料沉积在二氧化硅或其它介电材料表面，采用一些合金材料沉积在二氧化硅或其它介电材料表面，通过光刻形成电阻条。通过光刻形成电阻条。常用的合金材料有：常用的合金材料有：p钽（钽（Ta)Ta) p镍铬（镍铬（Ni-Cr)Ni-Cr)p氧化锌氧化锌SnOSnO2 2p铬硅氧铬硅氧CrSiOCrSiO特点：特点：p较高的精度，公差可达到：较高的精度，公差可达到：0.01%0.01%1%1%p具有较低的温度系数和较大的电
11、流承载能力具有较低的温度系数和较大的电流承载能力p但增加工艺和成本但增加工艺和成本4)4)合金薄膜电阻合金薄膜电阻Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系薄层电阻的几何图形设计薄层电阻的几何图形设计形状选择依据：形状选择依据：p一般电阻采用窄条结构，精度要求高的采用宽条结构一般电阻采用窄条结构，精度要求高的采用宽条结构p小电阻采用直条形，大电阻采用折线形小电阻采用直条形，大电阻采用折线形p高精度电阻采用长条串联形高精度电阻采用长条串联形Fundamentals of IC Analysi
12、s and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系方块电阻概念方块电阻概念薄层电阻图形尺寸的计算薄层电阻图形尺寸的计算方块电阻的几何图形方块电阻的几何图形 RFundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系材料材料最小值最小值典型值典型值最大值最大值互连金属互连金属0.050.070.1顶层金属顶层金属0.030.040.05多晶硅多晶硅152030硅硅-金属氧化物金属氧化物236扩散层扩散层1025100硅氧化物扩散硅氧化物扩散2410N阱（或阱（
13、或P阱）阱）1k2k5k 0.5-1.0 m MOS工艺中作为导电层的典型的薄层电阻阻值工艺中作为导电层的典型的薄层电阻阻值单位单位:/口口Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系薄层电阻端头和拐角修正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不同电阻条宽和端头形状的端头修正因子 Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系薄层薄层电阻温度系数电阻温度系数 电阻温度系数
14、电阻温度系数TC(Temperature Coefficient)是指温度每是指温度每升高升高1时，阻值相对变化量：时，阻值相对变化量：在在SPICE程序中，考虑温度系数时，电阻的计算公式修正为：程序中，考虑温度系数时，电阻的计算公式修正为：Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系薄层薄层电阻电阻射频等效电路射频等效电路芯片上的薄层电阻的射频芯片上的薄层电阻的射频双端口等效电路双端口等效电路：对于工作在几百兆以上的射频电路中的电阻，必须考虑其对于工作在几百兆以上的射频电路中的电阻，必须考
15、虑其寄生效应。寄生效应。Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系衬底电位与分布电容衬底电位与分布电容为了防止为了防止PN结导通，衬底必须接一定的电位，使结导通，衬底必须接一定的电位，使PN结处结处于反偏状态。于反偏状态。对于掺杂半导体电阻，其衬底与电阻材料掺杂类型是相反对于掺杂半导体电阻，其衬底与电阻材料掺杂类型是相反的半导体。这样，电阻区和衬底就寄生了一个的半导体。这样，电阻区和衬底就寄生了一个PN结。结。这样这样PN结的存在，导至了寄生电容效应。下图为结的存在，导至了寄生电容效应。下
16、图为BJT工工工艺中基区扩散电阻的等效模型例子。工艺中基区扩散电阻的等效模型例子。其他类型电阻，也可以用相似的方法等到双端口等效电路。其他类型电阻，也可以用相似的方法等到双端口等效电路。Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系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的电阻元件使用双极型晶体管和双极型晶体管和MOS晶体
17、管可以担当有源电阻。晶体管可以担当有源电阻。下面讨论以下面讨论以MOS器件作为有源电阻情况。器件作为有源电阻情况。有源电阻有源电阻Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系MOSMOS管作为有源电阻有多种接法，下图是栅漏短接而形成的管作为有源电阻有多种接法，下图是栅漏短接而形成的MOS有源电阻及其有源电阻及其I-V曲线曲线 。MOSMOS管的电流方程管的电流方程( (理想表达式理想表达式) )：Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学
18、院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系1.直流电阻：直流电阻： RonVGS=V 2.2.交流电阻：交流电阻：NMOS栅漏短接电阻表达式：栅漏短接电阻表达式： 3.3.特点：特点：p其阻值不仅与工艺、管子尺寸有关，还与电压有关其阻值不仅与工艺、管子尺寸有关，还与电压有关p其阻值是非线性的其阻值是非线性的p交直流的阻值不一样交直流的阻值不一样p所占面积比其他电阻小很多所占面积比其他电阻小很多p不同的接法，表现出不同的特性不同的接法，表现出不同的特性Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子
19、材料与工程系有源电阻的几种形式：有源电阻的几种形式： 另外一种接法处于饱和区另外一种接法处于饱和区NMOS的有源电阻示意图：的有源电阻示意图： DSVTNVGSFundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系在集成电路中，有多种实现电容的方法：在集成电路中，有多种实现电容的方法：v金属金属- -绝缘体绝缘体- -金属金属(MIM)(MIM)结构的电容；结构的电容；v多晶硅多晶硅/ /金属金属- -绝缘体绝缘体- -多晶硅结构的电容；多晶硅结构的电容；v叉指金属结构的电容；叉指金属结构的电容；v利
20、用二极管和三极管的利用二极管和三极管的PNPN结电容；结电容；vMOSMOS电容电容电容存在于任意两个在电气上被分开的导体之间电容存在于任意两个在电气上被分开的导体之间集成电路中的寄生电容包括集成电路中的寄生电容包括MOSMOS管的寄生电容以及由金属、管的寄生电容以及由金属、多晶硅和扩散区连线（常称为导电通路）形成的连线电容多晶硅和扩散区连线（常称为导电通路）形成的连线电容在集成电路设计中应尽量避免使用电容器，因集成电容器在集成电路设计中应尽量避免使用电容器，因集成电容器的单位面积电容量的单位面积电容量C CA A比较小，达到一定的电容量要较大的比较小，达到一定的电容量要较大的面积面积集成电容
21、器集成电容器Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系(a)(a)叉指结构电容和叉指结构电容和( (b)MIMb)MIM 结构电容结构电容 Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系4.4.1 4.4.1 平板电容平板电容SPICE程序中定义的电容元件以平板为标准，主要参数为：程序中定义的电容元件以平板为标准，主要参数为：电容值电容值CO、电容温度系数、高频寄生参数、电容温度系数、高频
22、寄生参数。集成电路中可用多种材料结构的平板电容。集成电路中可用多种材料结构的平板电容。制作在砷化镓半绝缘衬底上的制作在砷化镓半绝缘衬底上的MIMMIM电容结构如下图所示：电容结构如下图所示：考虑温度系数时，电容的计算式为：考虑温度系数时，电容的计算式为：Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系对于高频和高速集成电路应用，电容不仅具有电容值的特对于高频和高速集成电路应用，电容不仅具有电容值的特征，而且会有一个并联寄生电导征，而且会有一个并联寄生电导G G、串联电感串联电感L L、电阻电阻R
23、 R以以及两电极的对地电容及两电极的对地电容C C1 1和和C C2 2。一个电容器的一个电容器的SPICESPICE模型最好模型最好用一个包含用一个包含6 6个元件的子电路来描述容。个元件的子电路来描述容。对于对于GaAsGaAs衬底上的衬底上的MIMMIM电容，电容，G G代表由漏电流引起的损耗和代表由漏电流引起的损耗和半绝缘体衬底或绝缘层的介质损耗，在良好工艺情况下，半绝缘体衬底或绝缘层的介质损耗，在良好工艺情况下，G G可以忽略。可以忽略。电容模型等效电路电容模型等效电路Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系
24、材料与能源学院微电子材料与工程系随着工作频率的增高，串联电感的阻抗变得越来越高。达随着工作频率的增高，串联电感的阻抗变得越来越高。达到某一频率，到某一频率，C C与与L L变成串联谐掁回路，其固有的自谐掁频变成串联谐掁回路，其固有的自谐掁频率定义如下：率定义如下：此时，电容器的电容特性完全消失。这意味着任何电容仅此时，电容器的电容特性完全消失。这意味着任何电容仅在低于在低于f fo o的频率上才会起电容作用。经验的准则是电容工的频率上才会起电容作用。经验的准则是电容工作在作在f fo o/3/3以下。以下。Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料
25、与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系金属叉指结构电容金属叉指结构电容 叉指结构电容的优点是不需叉指结构电容的优点是不需额外的工艺额外的工艺根据给定的几何尺寸和工艺，根据给定的几何尺寸和工艺，就可计算出电容值就可计算出电容值叉指电容值可做到皮法量级叉指电容值可做到皮法量级两条金属线之间的电容可以认为是叉指电容的特例。当两条金属线之间的电容可以认为是叉指电容的特例。当线宽按比例减小，但为了尽可能保持线宽按比例减小，但为了尽可能保持RCRC常数不按比例增常数不按比例增加而增加金属厚度时，金属连线之间的电容成份将变得加而增加金属厚度时，金属连线之间的电容成份将变得越来越大，电路
26、设计中，必须给予高度重视。越来越大，电路设计中，必须给予高度重视。Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系PNPN结电容结电容 突变突变PNPN结电容计算公式结电容计算公式: :式中，式中，V VD D为为PNPN结偏置电压，正偏结偏置电压，正偏时取正号，反偏时取负号；时取正号，反偏时取负号；O O为为PNPN结内建势垒；结内建势垒；C Cjojo是是V VD D=0=0时的耗尽电容。时的耗尽电容。PN结电容是利用结电容是利用pn结反向时的势垒电容构成一个电容器，结反向时的势垒电容构成一
27、个电容器，不需要额外的工艺。不需要额外的工艺。所有的所有的PNPN结电容都是非线性的，是两端电压的函数。在大结电容都是非线性的，是两端电压的函数。在大信号线性放大器中，它会引起非线性失真，但在需要调整信号线性放大器中，它会引起非线性失真，但在需要调整频率和相位的谐掁放大器、移相器、压控振荡器中，可利频率和相位的谐掁放大器、移相器、压控振荡器中，可利用这种非线性。用这种非线性。Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系任何任何PNPN结都有漏电流和从结面到金属连线有体电阻，故其品结都有漏电流
28、和从结面到金属连线有体电阻，故其品质因数通常比较低质因数通常比较低 。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。计算。电容值依赖于结面积，例如二极管和晶体管的尺寸。电容值依赖于结面积，例如二极管和晶体管的尺寸。PNPN结电容的结电容的SPICESPICE模型就直接运用相关二极管或三极管器件模型就直接运用相关二极管或三极管器件的模型。的模型。Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 同双极型晶体管中的同双极型晶体管中的PN
29、 结结 一样，一样， 在结周围由于载流在结周围由于载流 子的扩散、漂移达到动态平子的扩散、漂移达到动态平 衡，而产生了耗尽层。衡，而产生了耗尽层。 MOS的基本结构的基本结构两个两个PN结结： 1）N型漏极与型漏极与P型衬底；型衬底； 2）N型源极与型源极与P型衬底。型衬底。一个电容器结构一个电容器结构： 栅极与栅极下面的区域形成一个电容器，是栅极与栅极下面的区域形成一个电容器，是MOS管的核心。管的核心。MOS结构电容结构电容Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系MOSFET的三个基
30、本几何参数的三个基本几何参数v栅长栅长: Lv栅宽栅宽: Wv氧化氧化层层厚度厚度: toxFundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 MOS电容的组成电容的组成p在栅极电极下面有一层在栅极电极下面有一层SiOSiO2 2介质。介质。SiOSiO2 2下面是下面是P P型衬底，型衬底，衬底是比较厚的。最后，是一个衬底电极，它同衬底之衬底是比较厚的。最后，是一个衬底电极，它同衬底之间必须是欧姆接触。间必须是欧姆接触。p与平板电容和与平板电容和PNPN结电容都不相同，结电容都不相同，MOSMO
31、S核心部分，即金属核心部分，即金属- -氧化物氧化物- -半导体层结构的电容具有独特的性质。半导体层结构的电容具有独特的性质。p它的电容它的电容- -电压特性取决于半导体表面的状态。电压特性取决于半导体表面的状态。p随着栅极电压的变化，表面可处于：随着栅极电压的变化，表面可处于：1.积累区积累区2.2.耗尽区耗尽区3.3.反型区反型区Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系(a)物理结构物理结构 (b)电容与电容与Vgs的函数关系的函数关系 MOS电容的组成电容的组成Fundamenta
32、ls of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系1）当当V Vgsgs0 0时时( (以以P P型衬底为例型衬底为例) )， 栅栅极极的的负负电电荷荷把把空空穴穴吸吸引引到到硅硅的的表表面面，致致使使表表面面处处于于积积累累区区。此此时时，栅栅极极的的半半导导体体构构成成电电容容的的一一个个极极板板，N型型器器件件中中P型型衬衬底底的的高高浓浓度度空空穴穴积积累累层层构构成成电容的另一个极板。电容的另一个极板。由由于于积积累累层层直直接接和和衬衬底底相相连连，其其容容量可近似以平板电容公式来表示量可近似以平板电容公
33、式来表示: :式式中中 ox = 0 SiO2 =3.98.85410-14F/cm， 栅极栅极-沟道间氧化层介电常数沟道间氧化层介电常数，Tox氧化层厚度，氧化层厚度，A=LW是栅极面积。是栅极面积。Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系2)当当Vgs0时，栅极上的正电荷排斥了时，栅极上的正电荷排斥了Si中的空穴，在栅极下面中的空穴，在栅极下面的的Si表面上，形成了一个耗尽区。表面上，形成了一个耗尽区。 耗尽区中没有可以自由活动的载流子，只有空穴被赶走耗尽区中没有可以自由活动的载流子
34、，只有空穴被赶走后剩下的固定的负电荷。这些束缚电荷是分布在厚度为后剩下的固定的负电荷。这些束缚电荷是分布在厚度为d的的整个耗尽区内，而栅极上的正电荷则集中在栅极表面。这说整个耗尽区内，而栅极上的正电荷则集中在栅极表面。这说明了明了MOS电容器可以看成两个电容器的串联。电容器可以看成两个电容器的串联。v以以SiO2为介质的电容器：为介质的电容器：v以耗尽层为介质的电容器：以耗尽层为介质的电容器：v总电容总电容C为为:v比原来的比原来的Cox要小些。要小些。Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与
35、工程系3)若若Vgs再增大，排斥掉更多的空穴，吸引了更多的电子，使再增大，排斥掉更多的空穴，吸引了更多的电子，使得，得，Si表面的电子浓度超过了空穴的浓度，半导体呈表面的电子浓度超过了空穴的浓度，半导体呈N型，型，这就是反型层。不过，它只是一种弱反型层。因为这时电这就是反型层。不过，它只是一种弱反型层。因为这时电子的浓度还低于原来空穴的浓度。子的浓度还低于原来空穴的浓度。4)当当Vgs增加，达到增加，达到VT值，值，Si表面的电子不仅抵消了空穴，成表面的电子不仅抵消了空穴，成为本征半导体，而且在形成的反型层中，电子浓度已达到为本征半导体，而且在形成的反型层中，电子浓度已达到原先的空穴浓度，这样
36、的原先的空穴浓度，这样的 反型层就是强反型层。显反型层就是强反型层。显 然，耗尽层厚度不再增加，然，耗尽层厚度不再增加， CSi也不再减小。这样，也不再减小。这样，就达到最小值就达到最小值Cmin。Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系5)当当Vgs继续增大，反型层中电子的浓度增加，成了导电率相继续增大，反型层中电子的浓度增加，成了导电率相当高的导电层，所以低频时，栅极电容又恢复为当高的导电层，所以低频时，栅极电容又恢复为CO。但但P型衬底向反型层提供电子的能力是有限的，至使表面的电型
37、衬底向反型层提供电子的能力是有限的，至使表面的电荷不能随快速变化的栅压而变化，所以，高频时栅极电容荷不能随快速变化的栅压而变化，所以，高频时栅极电容仍然和耗尽情况下的电容一样大。仍然和耗尽情况下的电容一样大。6)考虑频率影响时，考虑频率影响时，MOS栅极的电容与栅极电压的函数关系栅极的电容与栅极电压的函数关系如下如下:Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 近近20年年来来集集成成电电路路的的速速度度越越来来越越高高，射射频频集集成成电电路路(RFIC)已已经经有有了了很很大大发发展展
38、，芯芯片片上上金金属属结结构构的的电电感感效效应应变变得得越越来来越越明明显，芯片电感的实现成为可能。显，芯片电感的实现成为可能。式中，式中，a为线圈半径，为线圈半径， 单位为微米单位为微米w为导线宽度：单位为微米为导线宽度：单位为微米单匝线圈版图单匝线圈版图 单匝线圈单匝线圈集总电感集总电感其电感值计算公式为：其电感值计算公式为：电感电感Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系多匝线圈多匝线圈式中：式中：ri=螺旋的内半径，微米，螺旋的内半径，微米， r0=螺旋的外半径，微米，螺旋的外
39、半径，微米， N=匝数。匝数。多匝螺旋形线圈电感值计算公式为：多匝螺旋形线圈电感值计算公式为： Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系等效电路等效电路以砷化家和磷化铟为衬底以砷化家和磷化铟为衬底Cp表示引出电感互连线间的耦合电容表示引出电感互连线间的耦合电容R表示电感的电阻表示电感的电阻C1和和C2表示两引出端对地电容表示两引出端对地电容Cox表示两引出端绝缘层电容表示两引出端绝缘层电容以硅为衬底以硅为衬底2 22 2Fundamentals of IC Analysis and De
40、sign (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系集成电路的互连：单片电路芯片上器件之间的互连集成电路的互连：单片电路芯片上器件之间的互连 芯片通过管座与系统的互连（通过引线芯片通过管座与系统的互连（通过引线 键合工艺实现）键合工艺实现）芯片上器件之间的互连采用金属铝薄膜，先进的工艺采用铜芯片上器件之间的互连采用金属铝薄膜，先进的工艺采用铜布线布线通常依靠蒸发的方法在硅片表面形成均匀的薄膜，在反刻引通常依靠蒸发的方法在硅片表面形成均匀的薄膜，在反刻引线工艺后形成集成电路的互连线线工艺后形成集成电路的互连线互连线的版图设计是集成电路设计中的基本任务，在专门门互连线的
41、版图设计是集成电路设计中的基本任务，在专门门阵列设计电路中甚至是唯一的任务。阵列设计电路中甚至是唯一的任务。互连线也是基本元件，除了有电阻外，还有寄生的电容和电互连线也是基本元件，除了有电阻外，还有寄生的电容和电感，在高速电路中，这些寄生参数将产生损耗或延迟感，在高速电路中，这些寄生参数将产生损耗或延迟4.6 4.6 互连线互连线Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系互连线设计中应注意的事项互连线设计中应注意的事项1.1.为了减少信号或电源引起的损耗以及为了减少芯片面积，为了减少信号或
42、电源引起的损耗以及为了减少芯片面积，连线应尽量短；特别地，对传输高频信号的关键互连线，连线应尽量短；特别地，对传输高频信号的关键互连线，在版图设计中应按最小长度布线。在版图设计中应按最小长度布线。2.2.为了提高集成度，在传输电流非常微弱时（如为了提高集成度，在传输电流非常微弱时（如MOSMOS的栅的栅极），大多数互连线应以最小宽度布线。极），大多数互连线应以最小宽度布线。3.3.在连接线要传输大电流时（如电源和地线），应估计其在连接线要传输大电流时（如电源和地线），应估计其电流容量并保留足够的裕量。电流容量并保留足够的裕量。4.4.制造工艺提供的多层金属布线可有效提高集成度。制造工艺提供的多
43、层金属布线可有效提高集成度。5.5.在微波和毫米波电路中，特别注意互连线的在微波和毫米波电路中，特别注意互连线的c c和寄生参和寄生参数。数。6.6.互连线的寄生效应在某些场合可得到有效利用：利用传互连线的寄生效应在某些场合可得到有效利用：利用传导电阻实现低值电阻、两条共面或上下平行互连线间的导电阻实现低值电阻、两条共面或上下平行互连线间的电容作为微波或毫米波信号的旁路电容等。电容作为微波或毫米波信号的旁路电容等。Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系深亚微米阶段的互连线技术深亚微米阶
44、段的互连线技术1.CMOS工艺发展到深亚微米阶段后，互连线的延迟已经工艺发展到深亚微米阶段后，互连线的延迟已经超过逻辑门的延迟，成为时序分析的重要组成部分。超过逻辑门的延迟，成为时序分析的重要组成部分。2.这时应采用链状这时应采用链状RC网络、网络、RLC网络或进一步采用传输网络或进一步采用传输线来模拟互连线。线来模拟互连线。3.为了保证模型的精确性和信号的完整性，需要对互连线为了保证模型的精确性和信号的完整性，需要对互连线的版图结构加以约束和进行规整。的版图结构加以约束和进行规整。Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工
45、程系材料与能源学院微电子材料与工程系思考题：思考题： P107 1P107 1、2 2、3 3、6 6题题作业：作业：P107 4P107 4、5 5题题Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 5.3 二极管及其二极管及其SPICE模型模型Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系实际的集成电路主要是由半导体器件组成的。在电路分析中常用实际的集成电路主要是由半导体器件组成的。在电路
46、分析中常用到的是半导体器件的等效电路模型。到的是半导体器件的等效电路模型。半导体器件模型有：半导体器件模型有：1.1.器件的物理模型器件的物理模型 半导体器件的物理模型是从半导体的基本方程出发，并对器半导体器件的物理模型是从半导体的基本方程出发，并对器件的参数做一定的近似假设而得到的有解析表达式的数学模型。件的参数做一定的近似假设而得到的有解析表达式的数学模型。 随着集成电路集成度的提高，器件的结构、尺寸都在发生变随着集成电路集成度的提高，器件的结构、尺寸都在发生变化，器件的物理模型就越加复杂。例如对小尺寸器件要考虑各种化，器件的物理模型就越加复杂。例如对小尺寸器件要考虑各种二阶效应。当然对各
47、种新器件就更需要建立新的物理模型来描述。二阶效应。当然对各种新器件就更需要建立新的物理模型来描述。 在物理模型中经常包含有一些经验因子，目的是为了使模型在物理模型中经常包含有一些经验因子，目的是为了使模型与实验结果符合得更好。与实验结果符合得更好。 模型中考虑的因素越多，与实际结果就越符合，但模型也就模型中考虑的因素越多，与实际结果就越符合，但模型也就越复杂，在电路模拟中耗费的计算工作量就越大。越复杂，在电路模拟中耗费的计算工作量就越大。5.3 二极管及其二极管及其SPICE模型模型Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工
48、程系材料与能源学院微电子材料与工程系2.2.器件的等效电路模型器件的等效电路模型 半导体器件的等效电路模型是在特定的工作条件下，半导体器件的等效电路模型是在特定的工作条件下，把器件的物理模型用一组理想元件代替，用这些理想元件把器件的物理模型用一组理想元件代替，用这些理想元件的支路方程表示器件的物理模型。的支路方程表示器件的物理模型。 半导体器件在不同的工作条件下，将有不同的等效电半导体器件在不同的工作条件下，将有不同的等效电路模型。例如一个器件的直流模型、交流小信号模型、交路模型。例如一个器件的直流模型、交流小信号模型、交流大信号模型以及瞬态模型等是各不相同的。流大信号模型以及瞬态模型等是各不
49、相同的。Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系5.3 二极管及其二极管及其SPICE模型模型集成电路和半导体器件的各类特性都是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，结相互作用的结果，所以所以PN结是微电子器件的基础。结是微电子器件的基础。PNPN结的形成结的形成 P P型半导体和型半导体和N N型半导体在交界面处会形成了下图所示型半导体在交界面处会形成了下图所示的的PNPN结：结：Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料
50、与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系PN结型二极管的伏安特性结型二极管的伏安特性 Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系其中其中 5.2.1 5.2.1 二极管的电路模型二极管的电路模型二极管等效电路模型如右图所示：二极管等效电路模型如右图所示：uV为端电压为端电压uVD为结电压为结电压uID为结二极管电流为结二极管电流uRS为体电阻，代表从外电极到为体电阻，代表从外电极到结的半导体材料的电阻结的半导体材料的电阻uCj为为PN结的势垒电容结的势垒电容uCd为为P
51、N结的扩散电容结的扩散电容端电压端电压V V与结电压与结电压VD的关系是：的关系是：Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系势垒电容势垒电容Cj：扩散电容扩散电容Cd：二极管在反向偏压很大时会发生击穿。专门设计在击穿状态二极管在反向偏压很大时会发生击穿。专门设计在击穿状态下工作的二极管称为齐纳二极管。但二极管的电流电压方程下工作的二极管称为齐纳二极管。但二极管的电流电压方程没有预示这种击穿，实际电路设计中需借助没有预示这种击穿，实际电路设计中需借助SPICESPICE等模拟工等模拟工具来
52、大致确定击穿电压值。具来大致确定击穿电压值。在低频下或直流分析中，二极管的特性可以直接由上述的在低频下或直流分析中，二极管的特性可以直接由上述的I-V特性表示。特性表示。但在但在高频下，考虑两电容的作用。高频下，考虑两电容的作用。Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系参参 数数 名名公式中符号公式中符号SPICE中符号中符号单单 位位SPICE中默认值中默认值饱和电流饱和电流ISISA1.0E-14发射系数发射系数nN-1串联体电阻串联体电阻R RSRS0渡越时间渡越时间TTTSec0
53、零偏势垒电容零偏势垒电容Cj0CJ0F0梯度因子梯度因子mM-0.5PN结内建势垒结内建势垒V0VJV1二极管模型参数对照表二极管模型参数对照表 Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系5.3.2 5.3.2 二极管的噪声模型二极管的噪声模型所谓电子噪声是指电子线路中某些元器件产生随机起伏的所谓电子噪声是指电子线路中某些元器件产生随机起伏的电信号。这些信号一般是与电子（或其它载流子）的电扰电信号。这些信号一般是与电子（或其它载流子）的电扰动相联系的。动相联系的。电子噪声一般包括：热噪声（
54、白噪声）和半导体噪声。半电子噪声一般包括：热噪声（白噪声）和半导体噪声。半导体噪声包括散导体噪声包括散( (弹弹) )粒噪声、分配噪声、闪烁噪声（粒噪声、分配噪声、闪烁噪声（1/f1/f噪噪声）等。声）等。u热噪声热噪声(thermal (thermal noise,Johnsonnoise,Johnson noise) noise)：在导体中由：在导体中由于带电粒子热骚动而产生的随机噪声。热噪声具有连续于带电粒子热骚动而产生的随机噪声。热噪声具有连续频谱，且当频率低到其量子现象已不再能忽略后，可看频谱，且当频率低到其量子现象已不再能忽略后，可看成是白噪声。成是白噪声。 u散粒噪声散粒噪声(s
55、hot noise)(shot noise)：由于离散电荷的运动而形成电：由于离散电荷的运动而形成电流的现象所引起的随机噪声。流的现象所引起的随机噪声。 Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系u分配噪声：注入基区的少数载流子在基区的复合是随机分配噪声：注入基区的少数载流子在基区的复合是随机的。从而使发射极电流的。从而使发射极电流 I IE E 分配成分配成 I IC C 和和 I IB B 而得到的而得到的 I IC C 也随着基区载流子复合数量的变化而变化。这种变化也随着基区载流子复
56、合数量的变化而变化。这种变化引起的噪声称为分配噪声。引起的噪声称为分配噪声。 u闪烁噪声闪烁噪声(flicker noise)(flicker noise)：在电流流过的媒质中，由：在电流流过的媒质中，由于该媒质的表面不规则性或其颗粒状性质而导致的随机于该媒质的表面不规则性或其颗粒状性质而导致的随机噪声。其电流噪声谱密度大致与频率倒数成正比例，故噪声。其电流噪声谱密度大致与频率倒数成正比例，故又称又称1/f1/f噪声噪声(1/f noise)(1/f noise) 。 Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源
57、学院微电子材料与工程系 闪烁（闪烁（1/f）噪声和散粒噪声噪声和散粒噪声 ：KF和和AF是噪声系数是噪声系数二极管的噪声模型二极管的噪声模型热噪声热噪声 ：Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系5.4 5.4 双极型晶体管及其双极型晶体管及其SPICESPICE模型模型 双极型晶体管模型双极型晶体管模型： （1 1） EbersEbers-Moll-Moll（即（即EMEM）模型）模型: : 最简单的模型最简单的模型 EbersEbers和和MollMoll于于19541954年提出年
58、提出 （2 2）Gummel-PoonGummel-Poon（即（即GPGP）模型）模型 GummelGummel和和PoonPoon 于于19701970年提出年提出Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系基本的基本的EMEM模型：模型： 由两个背靠背的二极管和两个电流源组成。假设正反由两个背靠背的二极管和两个电流源组成。假设正反向电流相互独立，在大注入时不适用。向电流相互独立，在大注入时不适用。pEMEM直流模型：直流模型： Fundamentals of IC Analysis a
59、nd Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系p与二极管的电流与二极管的电流- -电压方程相类似的两个电压方程相类似的两个EM电流方程电流方程 ：p两个晶体管两个晶体管KVL和和KCL方程：方程： 这四个独立的方程描述了双这四个独立的方程描述了双极型晶体管的特性极型晶体管的特性 。其中其中IS、 R 、 F和和Vt 模是型参数，表示模是型参数，表示 器件的特性，器件的特性， IS晶体管传输饱和电晶体管传输饱和电 流；流；R 为共基极大信号反为共基极大信号反 向电流增益；向电流增益；F 为共基极大信号正为共基极大信号正 向电流增益；向电流增益； Vt
60、代表阈值电压。代表阈值电压。Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 虽然虽然NPN晶体管常被设想为在两个晶体管常被设想为在两个N沟层之间夹着一个沟层之间夹着一个P型区的对称型三层结构。但与型区的对称型三层结构。但与MOS器件不同的是：集电区器件不同的是：集电区与发射区这两个电极不能互换。与发射区这两个电极不能互换。注意：注意：Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系改进的改进的E
61、M模型模型(EM2模型模型) 改进的改进的EM模型用了电荷控制观点，考虑了电荷存储效应，模型用了电荷控制观点，考虑了电荷存储效应，增加了电容增加了电容Cbe 、Cbc 、Cjs；考虑了欧姆电阻，增加了发射极、；考虑了欧姆电阻，增加了发射极、基极和集电极串联电阻。基极和集电极串联电阻。Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 改进的改进的EM模型由模型由于电容及电阻，模型于电容及电阻，模型对晶体管直流特性的对晶体管直流特性的描述更精确，使饱和描述更精确，使饱和区及小信号下的直流区及小信号下
62、的直流特性更符合实际；也特性更符合实际；也使交流和瞬态特性的使交流和瞬态特性的表征更为完善表征更为完善 ，适用，适用于大多数情况。于大多数情况。 但只是一阶模拟但只是一阶模拟的模型，仍存在着一的模型，仍存在着一些局限性。些局限性。Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系EM小信号等效电路小信号等效电路 gmF：正向区跨导正向区跨导r：输入电阻输入电阻r0：输出电阻输出电阻gmR：反向区跨导反向区跨导r：集电极集电极-基极电阻基极电阻C ：基极基极-集电极电容集电极电容CCS ：集电极集电
63、极-衬底电容衬底电容C：发：发-基极等效电容基极等效电容Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系双极型晶体管的双极型晶体管的GP模型模型 GP模型对模型对EM2模型作了以下几方面的改进模型作了以下几方面的改进 ：（1）直直流流特特性性，反反映映了了基基区区宽宽度度调调制制效效应应，改改善善了了输输出出电电导导、电电流流增增益益和和特特征征频频率率。反反映映了了共共射射极极电电流流放放大大倍倍数数随随电电流流和电压的变化和电压的变化 。（2）交交流流特特性性，考考虑虑了了正正向向渡渡越越时
64、时间间F随随集集电电极极电电流流IC的的变变化化，解解决决了了在在大大注注入入条条件件下下由由于于基基区区展展宽宽效效应应使使特特征征频频率率fT和和IC成反比的特性成反比的特性 。（3）考虑了大注入效应，改善了高电平下的伏安特性）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）考虑了模型参数和温度的关系 （5）根根据据横横向向和和纵纵向向双双极极晶晶体体管管的的不不同同，考考虑虑了了外外延延层层电电荷荷存储引起的准饱和效应存储引起的准饱和效应 。Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材
65、料与能源学院微电子材料与工程系 GP直流模型直流模型 GP小信号模型小信号模型 GP GP小信号模型与小信号模型与EMEM小信号模型十分一致，只是小信号参数小信号模型十分一致，只是小信号参数的值不同而已。的值不同而已。Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系5.5 5.5 MOSMOS场效应晶体管及其场效应晶体管及其SPICESPICE模型模型MOSMOS管的理想电流方程分段表达式：管的理想电流方程分段表达式：MOSMOS管的理想电流方程管的理想电流方程统一统一表达式：表达式：Funda
66、mentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系MOSMOS管的结构尺寸缩小到亚微米范围后，多维的物理效应管的结构尺寸缩小到亚微米范围后，多维的物理效应和寄生效应使得对和寄生效应使得对MOSMOS管的模型描述带来了困难。模型越管的模型描述带来了困难。模型越复杂，模型参数越多，其模拟的精度越高。但高精度与模复杂，模型参数越多，其模拟的精度越高。但高精度与模拟的效率相矛盾。拟的效率相矛盾。依据不同需要，常将依据不同需要，常将MOSMOS模型分成不同级别。模型分成不同级别。SPICESPICE中提供中提供了几种
67、了几种MOSMOS场效应管模型，并用变量场效应管模型，并用变量LEVELLEVEL来指定所用的模来指定所用的模型。型。LEVELLEVEL1 MOS11 MOS1模型模型 ShichmanShichman-Hodges-Hodges模型模型LEVELLEVEL2 MOS22 MOS2模型模型 二维解析模型二维解析模型LEVELLEVEL3 MOS33 MOS3模型模型 半经验短沟道模型半经验短沟道模型LEVELLEVEL4 MOS44 MOS4模型模型 BSIMBSIM（Berkeley short-Berkeley short-channel IGFET modelchannel IGFET
68、 model）模型）模型Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系BSIM3BSIM3模型的模型的MOSMOS管电流方程其中的一个表达式：管电流方程其中的一个表达式：Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系5.5.2 MOS15.5.2 MOS1模型模型(Level=1) MOS1MOS1模型是模型是MOSMOS晶体管的一阶模型，描述了晶体管的一阶模型，描述了MOSMOS管电流管电流
69、- -电电压的平方率特性，它考虑了压的平方率特性，它考虑了衬底调制效应衬底调制效应和和沟道长度调制沟道长度调制效应效应。适用于精度要求不高的长沟道。适用于精度要求不高的长沟道MOSMOS晶体管。晶体管。栅极栅极源极源极漏极漏极toxCbsCbdCgsCgdCgbFundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系（1）线性区（非饱和区）线性区（非饱和区） 当当VGSVTH，VDSVTH，VDSVGSVTH，MOS管工作在饱和区。管工作在饱和区。电流方程为：电流方程为：（3）两个衬底）两个衬底PN结结
70、两个衬底结中的电流可用类似二极管的公式来模拟。两个衬底结中的电流可用类似二极管的公式来模拟。 MOS1MOS1模型器件工作特性模型器件工作特性Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系当当VBS0时时 MOS1模型衬底模型衬底PN结电流公式结电流公式当当VBS0时时当当VBD0时时 Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系5.5.2 MOS2 模型模型 (Level=2) 二阶模型所
71、使用的等效电路和一阶模型相同二阶模型所使用的等效电路和一阶模型相同 ，但模型，但模型计算中考虑了各种计算中考虑了各种二阶效应二阶效应对对MOS器件漏电流及阈值电压器件漏电流及阈值电压等特性的影响。这些二阶效应包括：等特性的影响。这些二阶效应包括： （1）沟道长度对阈值电压的影响；）沟道长度对阈值电压的影响；（2）漏栅静电反馈效应对阈值电压的影响；）漏栅静电反馈效应对阈值电压的影响；（3）沟道宽度对阈值电压的影响；）沟道宽度对阈值电压的影响；（4）迁移率随表面电场的变化；）迁移率随表面电场的变化；（5）沟道夹断引起的沟道长度调制效应；）沟道夹断引起的沟道长度调制效应；（6）载流子漂移速度限制而引
72、起的电流饱和效应；）载流子漂移速度限制而引起的电流饱和效应；（7）弱反型导电。）弱反型导电。Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系MOS3 模型模型 (Level=3) MOS3模型是一个半经验模型，适用于短沟道器件，对于模型是一个半经验模型，适用于短沟道器件，对于沟长沟长 2 m的器件所得模拟结果很精确。在的器件所得模拟结果很精确。在MOS3中考虑的器中考虑的器件二阶效应如下：件二阶效应如下：（1）漏源电压引起的表面势垒降低而使阈值电压下降的静）漏源电压引起的表面势垒降低而使阈值电压
73、下降的静 电反馈效应；电反馈效应；（2）短沟道效应和窄沟道效应对阈值电压的影响；）短沟道效应和窄沟道效应对阈值电压的影响；（3）载流子极限漂移速度引起的沟道电流饱和效应；）载流子极限漂移速度引起的沟道电流饱和效应；（4）表面电场对载流子迁移率的影响。）表面电场对载流子迁移率的影响。 MOS3模型参数大多与模型参数大多与MOS2相同，但其阈值电压、饱和相同，但其阈值电压、饱和电流、沟道调制效应和漏源电流表达式等都是半经验公式，电流、沟道调制效应和漏源电流表达式等都是半经验公式，并引入了新的模型参数：并引入了新的模型参数：（EAT）、）、（THETA）和）和（KAPPA）。）。Fundamenta
74、ls of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系MOSMOS电容主要包括栅极对衬底的电容电容主要包括栅极对衬底的电容C CGBGB，源极对衬底的结，源极对衬底的结电容电容C CBSBS，漏极对衬底之间的结电容漏极对衬底之间的结电容C CBDBD。结电容由底部势垒面积电容和侧壁势垒周界电容两部分组结电容由底部势垒面积电容和侧壁势垒周界电容两部分组成。成。 MOS电容模型电容模型源扩散源扩散区面积区面积漏扩散漏扩散区面积区面积多晶硅多晶硅漏扩散区漏扩散区源扩散区源扩散区W b衬底衬底俯视图俯视图CjpCjpCjpCjp
75、Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系MOSMOS电容的基本计算公式电容的基本计算公式2.2.结电容结电容C CBSBS和和C CBDBD1.1.MOSMOS栅极电容栅极电容其中其中 oxox = = 0 0 . . i i =3.9=3.98.8548.8541010-14-14F/cmF/cm其中其中Cja是每是每um2的结电容，的结电容， Cjp是每是每um的周界电容的周界电容N型器件型器件P型器件型器件Cja110-4pF/um2110-4pF/um2Cjp910-4pF/um
76、910-4pF/umFundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系3）PN结电容结电容结电容由底部势垒电容和侧壁势垒电容两部分组成：结电容由底部势垒电容和侧壁势垒电容两部分组成： MOSMOS电容的模型电容的模型 式中，式中，C Cjojo为单位底部面积零偏压时结电容；为单位底部面积零偏压时结电容；C Cjswojswo为单位侧壁长度零偏压时结电容；为单位侧壁长度零偏压时结电容；A AS S，A AD D分别为源结和漏结底部电容面积；分别为源结和漏结底部电容面积；P PS S，P PD D P
77、 P，P P分别为源结和漏结侧壁电容周长；分别为源结和漏结侧壁电容周长；m mj j为底部电容梯度因子；为底部电容梯度因子； m mswsw为侧壁电容梯度因子；为侧壁电容梯度因子；V V为结电势。为结电势。Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系（2）栅电容）栅电容 栅电容栅电容CGB，CGS，CGD包括随偏压变化及不随偏压变化包括随偏压变化及不随偏压变化两部分：两部分： CGBCGB1CGB2CGSCGS1CGS2CGDCGD1CGD2 其中不随偏压而变的部分是栅极与源区、漏区的交叠氧
78、其中不随偏压而变的部分是栅极与源区、漏区的交叠氧化层电容以及栅与衬底间的交叠氧化层电容化层电容以及栅与衬底间的交叠氧化层电容(在场氧化层上在场氧化层上)，即：，即：CGB2CGB0LCGS2CGS0WCGD2CGD0WMOSMOS电容的模型电容的模型 式中式中CGB0为每单位沟道长度的栅为每单位沟道长度的栅衬底交叠电容；衬底交叠电容； CGS0、CGD0为每单位沟道宽度的栅极和栅漏交叠电容。为每单位沟道宽度的栅极和栅漏交叠电容。Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 随偏压而变的栅电容
79、是栅氧化层电容与空间电荷区电随偏压而变的栅电容是栅氧化层电容与空间电荷区电容相串联的部分。列出了不同工作区栅电容的变化如下：容相串联的部分。列出了不同工作区栅电容的变化如下：工作区工作区CGB1CGS1CGD1截止区截止区COXWLeff00非饱和区非饱和区0COXWLeff/2COXWLeff/2饱和区饱和区0(2/3)COXWLeff0不同工作区的栅电容不同工作区的栅电容 4）栅电容）栅电容MOSMOS电容的模型电容的模型Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 漏区和源区的串联电阻
80、会严重地影响漏区和源区的串联电阻会严重地影响MOS管的电学特性，管的电学特性，串联电阻的存在使加在漏源区的有效电压会小于加在外部端口串联电阻的存在使加在漏源区的有效电压会小于加在外部端口处的电压。处的电压。SPICE2等效电路中插入了两个电阻等效电路中插入了两个电阻rD和和rS，它们的它们的值可在模型语句：值可在模型语句：“MODEL ”中给定，也可通过中给定，也可通过MOSFET中的中的NRD和和NRS来确定来确定 。rDRshNRD rSRshNRS 式中，式中，Rsh漏扩散区和源扩散区薄层方块电阻漏扩散区和源扩散区薄层方块电阻 ；NRD漏扩散区等效的方块数；漏扩散区等效的方块数；NRS源
81、扩散区等效的方块数。源扩散区等效的方块数。5)串联电阻对串联电阻对MOS器件的影响器件的影响 Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系5.5.3 短沟道短沟道MOS场效应管场效应管BSIM3模型模型(Level=49) MOS4模型，即是模型，即是BSIM（Berkeley short-channel IGFET model）模型是由美国柏克利大学于模型是由美国柏克利大学于1984年开发的，专门年开发的，专门为短沟道为短沟道MOS场效应晶体管而研制的模型。场效应晶体管而研制的模型。该模型
82、是在物理基础上建立的，模型参数由工艺文件经模该模型是在物理基础上建立的，模型参数由工艺文件经模型参数提取程序自动产生。型参数提取程序自动产生。该模型适用于数字电路和模拟电路，精度高该模型适用于数字电路和模拟电路，精度高(有效沟道在有效沟道在1um时时)，运行时间短。，运行时间短。现已发表了现已发表了BSIM1、BSIM2和和BSIM3三种模型，但目前多三种模型，但目前多数数MOS工艺用工艺用BSIM3模型。模型。BSIM1、BSIM2模型集中解决模型的精度与公式简化；模型集中解决模型的精度与公式简化； BSIM3模型从物理机制解决模型参数与器件特性的关系。模型从物理机制解决模型参数与器件特性的
83、关系。Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系5.5 短沟道短沟道MOS场效应管场效应管BSIM3模型模型( (Level=49)Level=49) （1）短沟和窄沟对阈值电压的影响；）短沟和窄沟对阈值电压的影响；（2）横向和纵向的非均匀掺杂；）横向和纵向的非均匀掺杂；（3）垂直场引起的载流子迁移率下降；）垂直场引起的载流子迁移率下降；（4）体效应；）体效应；（5）载流子速度饱和效应；）载流子速度饱和效应；（6）漏感应引起位垒下降；）漏感应引起位垒下降；（7）沟道长度调制效应；）沟道长度
84、调制效应；（8）衬底电流引起的体效应；）衬底电流引起的体效应；（9）次开启导电问题；）次开启导电问题； （10）漏源寄生电阻。）漏源寄生电阻。在在BSIM3模型中考虑了下列效应：模型中考虑了下列效应：Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系1.67个个DC 参数参数2.13个个AC 和电容参数和电容参数3.2个个NQS模型参数模型参数4.10个温度参数个温度参数5.11个个W和和L参数参数6.4个边界参数个边界参数7.4个工艺参数个工艺参数8.8个噪声模型参数个噪声模型参数9.47二极管
85、二极管, 耗尽层电容和电阻参数耗尽层电容和电阻参数10.8个平滑函数参数个平滑函数参数(在在3.0版本中版本中)11.共有共有166(174)个参数个参数!在在BSIM3模型中包括了下列参数：模型中包括了下列参数：Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 阈值电压阈值电压 （1）垂直方向非均匀掺杂）垂直方向非均匀掺杂 （2）横向非均匀掺杂）横向非均匀掺杂 式中，表面反型电势式中，表面反型电势S=2F，K1、K2分别为一阶、二阶体效应系数。分别为一阶、二阶体效应系数。Fundamental
86、s of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 阈值电压阈值电压 （3）短沟道效应）短沟道效应 式中式中VTH是由于短沟效应而引起的阈值电降，它是通过是由于短沟效应而引起的阈值电降，它是通过沿沟道求解二维泊松方程得到：沿沟道求解二维泊松方程得到：其中其中 是短沟效应系数；是短沟效应系数；VSO是衬底与源极之间是衬底与源极之间PN结的内建电势。结的内建电势。Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 阈值电压阈值
87、电压 （4）窄沟道效应）窄沟道效应 式中，式中，K3 为窄宽度效应系数；为窄宽度效应系数；K3B为窄宽度效应系数体效应因子；为窄宽度效应系数体效应因子；WO为窄宽度效应参数；为窄宽度效应参数；W eff为有效的沟道宽度。为有效的沟道宽度。Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 一个好的表面迁移率模型对于一个好的表面迁移率模型对于MOSFET模型的精度是致模型的精度是致关重要的。一般讲，迁移率与很多工艺参数及偏置条件有关。关重要的。一般讲，迁移率与很多工艺参数及偏置条件有关。BSIM3中
88、所提供的迁移率公式是：中所提供的迁移率公式是： 迁移率迁移率式中，式中，O 为低场迁移率；为低场迁移率；UA为一阶迁移率下降系数；为一阶迁移率下降系数；UB为二阶迁移率下降系数；为二阶迁移率下降系数；UC 为体效应引起的迁移率下降系数为体效应引起的迁移率下降系数Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 SAT：载流子饱和速度。：载流子饱和速度。 ESAT ：载流子速度达到饱和时的临界电场；载流子速度达到饱和时的临界电场； 式中式中 ：载流子漂移速度载流子漂移速度Fundamentals
89、of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系式中，式中，A0，Ags，B0，B1和和Keta由实验数据加以确定，由实验数据加以确定， A0沟道长度的体电荷效应系数；沟道长度的体电荷效应系数； AgsAbulk的栅偏压系数；的栅偏压系数； B0沟道宽度的体电荷效应系数；沟道宽度的体电荷效应系数； B1体电荷效应中沟道宽度的偏离值；体电荷效应中沟道宽度的偏离值； Keta体电荷效应的衬底偏压系数。体电荷效应的衬底偏压系数。体电荷效应体电荷效应 电荷沿沟道长度方向分布不一样而产生的效应，用电荷沿沟道长度方向分布不一样而产生
90、的效应，用A Abulkbulk来描述，其表达式为：来描述，其表达式为：Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系（1）截止区（）截止区（VGSVTH） IDS0 （2）线性工作区（）线性工作区（VGSVTH，0 VDSVTH， VDS VDSAT） 强反型时的漏源电流强反型时的漏源电流Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 BSIM模型认为：总漏电流是强反型的漏电流与弱反模型认为
91、：总漏电流是强反型的漏电流与弱反型漏电流之和。即：型漏电流之和。即：IDSIDS1IDS2 弱反型漏电流分量表示为：弱反型漏电流分量表示为：弱反型时的漏源电流弱反型时的漏源电流Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系不同不同MOSFET模型应用场合模型应用场合vLevel 1简单简单MOSFET模型模型vLevel 22 m 器件模拟电路分析器件模拟电路分析vLevel 30.9 m 器件电路数字电路分析器件电路数字电路分析vBSIM 10.8 m 器件数字电路分析器件数字电路分析vBS
92、IM 20.3 m 器件模拟电路与数字电路分析器件模拟电路与数字电路分析vBSIM 30.5 m 器件模拟分析与器件模拟分析与0.1 m 器件数字电路分器件数字电路分析析vLevel=6 亚微米离子注入器件亚微米离子注入器件vLevel=50 小尺寸器件模拟电路分析小尺寸器件模拟电路分析 vLevel=11 SOI器件器件v对电路设计工程师来说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取决于能从相应的工艺制造单位得到何种模型参数.Fundamentals of IC Analysis and Design (
93、5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系5.6 模型参数提取技术模型参数提取技术电路模拟的精确度不仅与器件模型本身有关，还与给定的电路模拟的精确度不仅与器件模型本身有关，还与给定的器件模型参数值是否正确密切有关。所以准确地获取模型器件模型参数值是否正确密切有关。所以准确地获取模型参数是电路分析的重要工作。参数是电路分析的重要工作。5.6.1 模型参数提取方法模型参数提取方法（1）用仪器直接测量）用仪器直接测量 用仪器测量相关的参数，经数学方法得到模型参数。用仪器测量相关的参数，经数学方法得到模型参数。 优点：物理概念明确，有一定的精度。优点：物理概念明确，有一定的精
94、度。 缺点：所需仪器较多，工作量比较大。缺点：所需仪器较多，工作量比较大。Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系5.6.1 模型参数提取方法模型参数提取方法（2）从工艺参数获得模型参数）从工艺参数获得模型参数 通过生产线的工艺条件、样片的测试图及设计参数等算通过生产线的工艺条件、样片的测试图及设计参数等算出晶体管的模型参数。出晶体管的模型参数。 特点：测定工作难以准确，误差较大。特点：测定工作难以准确，误差较大。适用于：工艺控制水平高，重复性好，且模型开发者对适用于：工艺控制水平高，重
95、复性好，且模型开发者对工艺与器件模型之间的关系较熟悉者。工艺与器件模型之间的关系较熟悉者。（3）模型参数的计算机优化提取）模型参数的计算机优化提取 以计算机为工具，测量尽可能少的器件外部电特性，再以计算机为工具，测量尽可能少的器件外部电特性，再采用最优化的采用最优化的 曲线拟合而得到器件模型参数。曲线拟合而得到器件模型参数。 特点：所需测试仪器少，测量工作量小，软件成熟，能特点：所需测试仪器少，测量工作量小，软件成熟，能很快地得到较精度的符合实际的模型参数。很快地得到较精度的符合实际的模型参数。通常，在设计好版图后用数值计算方法提取模型参数，通常，在设计好版图后用数值计算方法提取模型参数，然后
96、进行电路模拟，以验证设计的正确性。然后进行电路模拟，以验证设计的正确性。Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系5.6.2 参数提取的基本原理参数提取的基本原理参数提取的任务是从一组器件测量特性中得到与器件模型参数提取的任务是从一组器件测量特性中得到与器件模型相对应的一套器件模型参数值。相对应的一套器件模型参数值。其方法是先给出一组模型参数初始值，代入器件模型公式其方法是先给出一组模型参数初始值，代入器件模型公式得到一组模拟结果，然后比较模拟结果与测量特性，如两得到一组模拟结果，然后比较
97、模拟结果与测量特性，如两者不一致，就修改参数值，直到模拟结果与测量特性很好者不一致，就修改参数值，直到模拟结果与测量特性很好地拟合。地拟合。由于器件特性是非线性的，在数学上，上述问题可归结为由于器件特性是非线性的，在数学上，上述问题可归结为最小二乘法的曲线拟合。最小二乘法的曲线拟合。Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系参数优化提取流程参数优化提取流程 5.6.2 参数提取的基本原理参数提取的基本原理Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系思考题：思考题： P75 1P75 13 3、5 51010题题Fundamentals of IC Analysis and Design (5)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系THANKS!
