CMOS器件模型(课件2)

1、1CMOS器件模型及器件模型及Hspice介绍介绍 西安电子科技大学西安电子科技大学朱樟明朱樟明2CMOS器件模型一、无源器件结构介绍一、无源器件结构介绍二、简单的二、简单的MOS大信号模型大信号模型三、三、MOS小信号模型小信号模型四、四、Spice Level 3 Model五、五、HSpice仿真介绍仿真介绍3一、无源器件结构及模型一、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 5 电阻电阻n实现电

2、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2TNoxnox)(2GSVVVWLtIVV)(11TNoxnoxmDSGSDSDSdsGSGSVVWLtgIVIVrVVVVds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ds条件：条件：VGS保持不变保持不变VGS保持不变的饱和区有源电阻9n对于理想情况，对于理想情况，O点的交流电阻应为无穷大，实际上因为点的交流电阻应为无穷大，实际

3、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，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。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onds11电容n在高速集成电路中，有多种实现电容的方法：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；）利用二极管和三极管的结电容；2）利用

4、叉指金属结构；）利用叉指金属结构；3）利用金属）利用金属-绝缘体绝缘体-金属金属(MIM)结构；结构；4）利用）利用类似于类似于MTM的多晶硅的多晶硅/金属金属-绝缘体绝缘体-多晶硅多晶硅结构；结构；12(a)叉指结构电容和叉指结构电容和(b)MIM 结构电容结构电容 13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 QLCf210dlwCr0f f0 / 314电感集总电感单匝单匝线圈版图）（pH2)/8ln(26. 1waaLa，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。)2860(4 .25)(22ioiorrNrrpH

5、Ln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传输线电感传输线电感n获得单端口单端口电感的另一种方法是使用长度ll/4波长的短电传输线(微带或共面波导)或使用长度在l/4 ll/2范围内的开路传输线。 4/ 0000/ 2 tan 2 tanh 2lclZlZlZLn ltgjZlZ0)(lctgjzz018分布参数元件分布参数元件集总元件和分布元件集总元件和分布元件n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微带线微带线(a) (b)典型微

6、带线的剖面图典型微带线的剖面图(a)和覆盖钝化膜的微带线和覆盖钝化膜的微带线(b)20nTEM波传输线的条件波传输线的条件)40/(,2/10rhwn GaAs衬底的厚度200um21n微带线设计需要的电参数主要是阻抗、衰减、无载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。、波长、迟延常数。n阻抗计算阻抗计算 n微带线的衰减微带线的衰减由两部分组成：导线损耗和介质损由两部分组成：导线损耗和介质损耗耗 n形成微带线的基本条件是，介质衬底的背面应该完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全被低欧姆金属覆盖并接地，从而使行波的电场

7、主要集中在微带线下面的介质中要集中在微带线下面的介质中。hwwhZreffL48ln606144. 042. 2120whwhhwZreffLw/h1微带线微带线22共面波导共面波导(CPW)(a) (b)常规共面波导(a)与双线共面波导(b)23nCPW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)40/(2/10rdwdZreffL2ln120dwdwZreffL/1/12ln30217. 0dw17. 0dw24n相对于微带线，相对于微带线，CPW的优点是：的优点是：1）工艺简单，费用低，因为所有接地线均在

8、上表面而不需接触孔。）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）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。芯片尺寸。3）比金属孔有更低的接地电感。）比金属孔有更低的接地电感。4）低的阻抗和速度色散。）低的阻抗和速度色散。nCPW的缺点是：的缺点是：1）衰减相对高一些，在）衰减相对高一些，在50GHz时，时，CPW的衰减是的衰减是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。）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的优缺点的优缺点25二、二、简单

9、的简单的MOS大信号模型（大信号模型（Spice Level 1）n大信号模型是非线性模型；n最简单的模型，主要 用于手工计算；用于手工计算；n表征器件电压（表征器件电压（VGS等）与器件电流直流值的关系等）与器件电流直流值的关系nLevel 1模型，由模型，由Sah建议，建议，Shichman和和Hodges使用，主要使用，主要包括包括VT、K（跨导参数）、（跨导参数）、（沟道长度调制参数）、（沟道长度调制参数）、（体阈值参数）、（体阈值参数）、等。等。n推出小信号模型。推出小信号模型。26NMOS跨导特性（跨导特性（VDS=0.1V）27NMOS输出特性（输出特性（VGS=2VT）28NM

10、OS输出特性（输出特性（VGS=4VT）29修正的Sah模型30衬底电压对衬底电压对NMOS阈值电压阈值电压VTH的影响的影响310.8um CMOS工艺的大信号模型参数工艺的大信号模型参数32大信号大信号NMOS的寄生电容的寄生电容n耗尽电容：耗尽电容：CBD、CBSn栅电容：栅电容：CGS、CGD、CGB33耗尽电容CBD、CBS其中ABD为Bulk-Drain面积； 0.33MJ0.534栅电容：CGS、CGD、CGB交叠电容交叠电容C1、C2（栅（栅-体交叠电体交叠电容）、容）、C335NMOS栅电容总结36三、三、MOS小信号模型小信号模型n简化计算的线性模型；n在大信号电压和电流完

11、全可以用直线表示时才有效；n基于大信号模型所实现，依赖于大信号工作条件。37等效跨导等效跨导gbd、gbs和沟道跨导和沟道跨导gm、gmbs、gds38饱和区小信号跨导饱和区小信号跨导39非饱和区小信号跨导非饱和区小信号跨导40四、四、Spice Level 3 Model41BSIM3V3 Modeln工业标准MOS Spice仿真模型；n适用于亚微米、沈亚微米CMOS工艺；n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；n支持Hspice、Spectre等仿真工具；42MOSFET49级模型(Level=49, BSIM3V3)n1995年年10月月31日由加州柏

12、克莱分校推出日由加州柏克莱分校推出.基于物理的深亚微米基于物理的深亚微米MOSFET模型模型. 可用于模拟和数字电路模拟。模型考虑了可用于模拟和数字电路模拟。模型考虑了(1) 阈值电压下降阈值电压下降,(2) 非均匀掺杂效应非均匀掺杂效应,(3) 垂直电场引起的迁移率下降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载流子极限漂移速度引起的 沟道电流饱和效应沟道电流饱和效应,(5) 沟道长度调制沟道长度调制(6) 漏源电源引起的表面势垒降低而使阈值电压下降的静电反馈效应漏源电源引起的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衬底电流引起的体效应(8)

13、亚阈值导通效应亚阈值导通效应(9) 寄生电阻效应寄生电阻效应43 共有共有166(174)个参数个参数!67个个DC 参数参数13个个AC 和电容参数和电容参数2个个NQS模型参数模型参数10个温度参数个温度参数11个个W和和L参数参数4个边界参数个边界参数4个工艺参数个工艺参数8个噪声模型参数个噪声模型参数47二极管二极管, 耗尽层电容和电阻参数耗尽层电容和电阻参数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)MOSFET49级模型(Level=49, BSIM3V3)44不同不同MOSFET模型应用场合模型应用场合Level 1简单MOSFET模型Level 22m 器件模拟分析

14、Level 30.9m 器件数字分析BSIM 10.8m 器件数字分析BSIM 20.3m 器件模拟与数字分析BSIM 30.5m 器件模拟分析与0.1m 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决于能从相应的工艺制造单位得到何种模型参数.45五、五、Hspice仿真介绍仿真介绍nMOS晶体管的Netlist表达 M1 3 6 7 0 NCH W=100U L=1Un模型描述

15、 .Model Model Name如“NCH”；Model Type如“PMOS” Model Parammeters如 Level=1 VTO-1 KP=50U GAMMA=0.5 LAMBDA=0.0146Hspice数据流程数据流程47Hspice输入文件格式（.sp）& Include files.INC and2.subckt& Library Call.LIB /vlsi-data/eda_models/hspice/tsmc035/logsp35.l TT& Netlistmp1 1 2 vdd! vdd! pch w=2.8u l=0.6umn11 2 gnd! gnd! n

16、ch w=1.4u l=0.6uC13gnd!250fFIC=3.3VR223100meg& Output Control.meas tran Tr TRIG v(in) val=3.3/2 TD=10n RISE=1+ TARG v(out) val=3.3/2 RISE=1.meas tran Tf TRIG v(in) val=3.3/2 TD=10n FALL=1+ TARG v(out) val=3.3/2 FALL=1.meas Tdelay param=(Tr+Tf)/248Hspice激励介绍（直流电压/电流源）Vdc n1 n2 3.3n1n2tdtperv1v2tpwtft

17、rIdc n3 n4 20mPulse: Vpul n1 n2 pulse( v1 v2 td tr tf tpw tper )3.3V20mAn3n449Hspice分析类型 Transient analysis.TRAN0.1n100n UIC Operating Point.OP DC Sweep.DC vin 1V5V0.5V AC small signal analysis.AC LIN 1K100MEG.AC DEC 1K100MEGv Executing HSPICE% hspice myfile.sp 50MOS晶体管晶体管DC分析分析51两级CMOS OPA的Hspice仿真

18、52Hspice仿真器用户界面仿真器用户界面53波形工具波形工具Awaves54查看仿真结果查看仿真结果55分析仿真结果分析仿真结果56分析仿真结果分析仿真结果57N沟沟JFET的结构示意图和电路符号的结构示意图和电路符号六、六、NJFET介绍介绍58JFET介绍介绍n最早具有实际结构的场效应晶体管是在最早具有实际结构的场效应晶体管是在N型或者型或者P型型半导体基片上制作一对半导体基片上制作一对PN结及相应的金属电极，两结及相应的金属电极，两个个PN结之间有导电沟道，通过改变外加结之间有导电沟道，通过改变外加PN界的反界的反向偏置电压，以改变向偏置电压，以改变PN结耗尽层的厚度，从而达到结耗尽层的厚度，从而达到改变沟道区载流子密度以控制沟道输出电流的目的，改变沟道区载流子密度以控制沟道输出电流的目的，因此，这种场效应管也被称为因此，这种场效应管也被称为PN结型场效应晶体管，结型场效应晶体管，即即PN JFET（PN Junction FET），通常也称），通常也称JFET。59结型场效应结型场效应 JFET 模型模型 nJFET模型源