集成电子学-2

1、 集成电路模拟程序集成电路模拟程序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。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信号集成电路设计工程师必须掌握SPICE的应用。的应用。 下面重点给出无源集成元器件的下面重点给出无源集成元器件的SPICE电路模型电路模型和相应的模型参数。和相应的模型参数。 3.1 对器件模型的要求对器件模型的要求 电路模拟与设计需要建立元器件精确模型。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

2、反比，应在满足精度要求条件下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（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。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，通过数器件模型有两种构成方法：一是从工作原理出发，通过数学推导得出，该方法得出的模型有明确的物理意义；另一学推导得出，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种是把器件当作“黑盒子黑盒子”，从器件外部特性出发，得出从器件外部特性

3、出发，得出外部特性数学关系。外部特性数学关系。 Spice程序所包含的元器件种类如下：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。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、场效应晶体管、MOS场效应晶体管、砷化镓场效应管和可控场效应晶体管、砷化镓场效应管和可控硅器件等。硅器件等。 (3)电源：它们是独立电压源、独立电流

4、源、四种线性和非线电源：它们是独立电压源、独立电流源、四种线性和非线性受控源性受控源(VCVS， VCCS，CCCS，CCVS)。独立源中除了独立源中除了直流源外还有交流小信号源和瞬态源。直流源外还有交流小信号源和瞬态源。 (4)子电路：在子电路：在Spice中允许用户将上述三类元件组成的电路定中允许用户将上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，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。程序仍然是以上述

5、三类元件为基本单元来计算的。 (5)宏模型：宏模型：spice中的宏模型包括表格宏模型、数学函数宏模中的宏模型包括表格宏模型、数学函数宏模型和由型和由Spice，已有的各类模型组合起来形成的构造型宏模型。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。 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，通过光刻形成电阻条。常用的合金材料有：（1）钽（Ta）； （2）镍铬（Ni

6、-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 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。 常用的薄层电阻图形 方块电阻的几何图形 hWLRRWL 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-金属氧化物236扩散层1025100硅氧化物扩散2410N阱（

7、或P阱）1k2k5k 0.5-1.0m MOS工艺中作为导电层的典型的薄层电阻阻值单位:/口不同电阻条宽和端头形状的端头修正因子 电阻温度系数TC是指温度每升高1时，阻值相对变化量：dTdRRTC1 在SPICE程序中,考虑温度系数时，电阻的计算公式修正为：2tnomnomemp2nomemp11）（ttTCttTCRR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。 双极型晶体管和MOS晶体管可以担当有源电阻。MOS有源电阻及其I-V曲线 直流电阻： 交流电阻：)

8、(11TNoxnoxmDSGSDSDSdsGSGSVVWLtgIVIVrVVVV2TNoxnox)(2VVVWLtIVRonVGS=V 有源电阻的几种形式： 饱和区的NMOS有源电阻示意图： 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 制作在砷化镓半绝缘衬底上的MIM电容结构： dlwCor 考虑温度系数时，电容的计算式为：2nomempnomemp211ttTCttTCACCox电容模型等效电路： 固有的自频率： LCf210突变PN结电容计算公式： 001DjjVCCl 任何pn结都

9、有漏电流和从结面到金属连线的体电阻，结电容的品质因数通常比较低。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。 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。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电容(a)物理结构 (b)电容与Vgs的函数关系0VTVgsCoxCox低频高频oxSioxSiCCCCMOS动态栅极电容与栅极电压的函数关系

10、 集总电感可以有下列两种形式：单匝线圈多匝螺旋型线圈 多匝直角型线圈 硅衬底上电感的射频双端口等效电路硅衬底上电感的射频双端口等效电路： /1tewlRs02oxox2ptwNCsubGlwR2121subClwC4/ 0000/ 2 tan 2 tanh 2lclZlZlZL 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 l0/2时，时，CJ可以由线性外推法计算出近似值。可以由线性外推法计算出近似值。003210000.)()0()0(.)1 ()0(CDVFjjDDCDVmjDDDFVdVmVFFCFCIFVdVVCIQDCD 式中式中FC是

11、正偏耗尽层电容系数，是正偏耗尽层电容系数，m是是PN结梯度因子，结梯度因子，D是渡越时间，是渡越时间，F1，F2和和F3是常数，由是常数，由FC决定：决定：)1 (1,)1 (,)1 (1 1312101mFFFFFmFCmCmC电荷存储参数电荷存储参数QD与电容与电容CD的关系如下：的关系如下：003200.).()0(.)1)(0(CDjDDDCDmjDDDDDDFVmVFFCdVdIFVVCdVdIdVdQC 二极管大信号模型用来描述二极管大信号模型用来描述CD的参数有：的参数有： TT 渡越时间（渡越时间（D）；）； CJ0 零偏置结电容（零偏置结电容（Cj（0）； M PN结梯度因子

12、（结梯度因子（m）；）； VJ PN结自建电势结自建电势 （0） FC 正偏耗尽层电容公式系数（正偏耗尽层电容公式系数（FC）2.小信号模型小信号模型二极管小信号模型见图，小信号电导定义为：二极管小信号模型见图，小信号电导定义为：而电容而电容CD为为工作点工作点TDSDDDnVVnkTqIdVdIgexp 003200.0.10CDDjDDCDmDjDDDDDFVmVFFCgFVVCgdVdQC工作点3 二极管的温度模型二极管的温度模型 饱和电流饱和电流IS与温度变化的关系如下：与温度变化的关系如下：)1 ()300(exp)()(normgnXnormnormSSTTnkTqETTTITIT

13、I 式中式中XTI是饱和电流是饱和电流IS的温度指数，的温度指数，Tnorm是默是默认工作温度值（认工作温度值（27），），T是新设置的工作温是新设置的工作温度值。结电势度值。结电势0与温度与温度T关系如下：关系如下：)()()ln(2)()(5 . 100TETETTTTqkTTTTTgnormgnormnormnormnormTTETEgg2)0()(300K时禁带宽度时禁带宽度Eg(0)和和Eg(T)的方程如下：的方程如下：硅型硅型PN结实验结果是：结实验结果是：=7.0110-4，1108，Eg(0)=1.16eV结电容结电容Cj(0)受温度控制的关系为：受温度控制的关系为：)()()

14、(104001)()(0006normnormnormjjTTTTmTCTC 二极管模型的总参数表如下所示：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 A rS RS寄生串联电阻 0 n N发射系数 1 D TT渡越时间 0 s CD(0) CJ0零偏结电容 0 F 0 VJPN结内建电势 1 V m MPN结梯度因子 0.5公式符号 参数名 定 义 默认值单 位 E g EG禁带宽度：1.11；SBD 0.69；锗0.67 1.11 eV Pt XTIIS温度指数:PN结二极管3.0；SBD2.1 3.0 FC FC正偏耗尽层电容系数

15、 0.5 BV BV反向击穿电压BV VIBVIBV反向击穿电流IBV 103 AK 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？如何提取二极管模型参数？以直流模型为例以直流模型为例有两个直流参数有两个直流参数IS和和n，在在 条件下，有条件下，有两边取对数，有两边取对数，有由测量值在半对数坐标中作图，由测量值在半对数坐标中作图，即可得出两个直流参数即可得出两个直流参数IS和和n。) 1(nkTqVSDDeII1nkTqVnkTqVSDDeII SDDInkTqVIlnln 7.2 双极型晶体管模型双极型晶体管模型 SPICE的双极型晶体管（的双极型晶体

16、管（BJT）模型参数包括：模型）模型参数包括：模型的直流、交流小信号特性，温度、噪声性能的直流、交流小信号特性，温度、噪声性能 ，各种电容效，各种电容效应和半导体物理属性等。应和半导体物理属性等。 双极型晶体管有两种模型：双极型晶体管有两种模型： （1） Ebers-Moll（即即EM）模型模型 Ebers和和Moll于于1954年提出年提出 （2）Gummel-Poon（即即GP）模型模型 Gummel和和Poon 于于1970年提出年提出SPICE中中GP模型有四十多个参数，某些参数未给出，则模型有四十多个参数，某些参数未给出，则自动简化成自动简化成EM模型。模型。 BJT模型的偏置方式模

17、型的偏置方式PSpice的的BJT模型如图所示。模型如图所示。BJT模型定义为基极发射极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。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型型BJT偏置方式偏置方式1、Ebers-Moll 模型模型EbersMoll 模型有简单直观的特点，它给出各极电流与外模型有简单直观的特点，它给出各极电流与外偏压的关系偏压的关系。忽略基区宽度随忽略基区宽度随VBC的变化，得的变化，得B+VBCCIRIFEVBEFIFRIREM直流模型直流

18、模型)1()1(kTqVCSRkTqVESFBCBEeIIeII F和和R分别为共基极分别为共基极BJT的大的大信号正、反向电流增益。信号正、反向电流增益。IF和和IR分别是发射结正向传输电流分别是发射结正向传输电流和集电结反向传输电流，其和集电结反向传输电流，其表达式为：表达式为：IES ，ICS定义分别为基极定义分别为基极发射极和基极发射极和基极集电极的饱和电集电极的饱和电流流： 极电流可以表示为：极电流可以表示为：定义定义IS为晶体管传输饱和电流，可得：为晶体管传输饱和电流，可得：RRFFBRRFERFFCIIIIIIIII)1 ()1 ( 1 1)/()/(kTqVSECkTqVSCC

19、BCBEeIIeII传输模式电流传输模式电流ICC ，IEC的定义分别为的定义分别为：CSRESFSIII)(kTqVkTqVSECCCCTBCBEeeIIIIRECFCCBCTFCCERECCTCIIIIIIIIIEbers-Moll静态模型的拓扑结构可以改变为静态模型的拓扑结构可以改变为EM模型的模型的形式：形式： 这样，极电流则可分别这样，极电流则可分别 表示为：表示为：+ IbVBCIEC/RICC/REB+VBECIcIeICT=ICC-IECEM模型的模型的形式形式 Ebers-Moll模型的电阻模型的电阻 如右图所示，此模型如右图所示，此模型有三种常数值电阻有三种常数值电阻RC，

20、RE和和RB，用以改善模型，用以改善模型的直流特性。的直流特性。B+ IBVBCIEC/RICC/R+VBEIeICT=ICC-IECRB-BRCCICCEREE Early效应（基区宽度调制效应）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制是通过集电极基区反向偏压改变来改变电基极宽度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。的值，从而使饱和区输出特性曲线向上弯曲。 Early电压电压(VA)会影响基极模型的会影响基极模型的IC，IB电流方程。电流方程。VAF为正向

21、为正向Early电压，电压，VAR为反向为反向Early电压。电压。 可见可见EM基本模型基本模型 直流参数有直流参数有8个：个： IS, F, R, RB, RE, RC, VA F, VA RIC-VA0VCE 再考虑晶体管中电荷存储效应，就得到再考虑晶体管中电荷存储效应，就得到Ebers-Moll 大信号大信号模型如图所示：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（两个非线性扩散电容（CDE, CDC）和一个和一个集电极集电极-衬底电容（衬底电容（ CJS）。）。BRBIB

22、CDCCDECJCCJE-VBC+VBE-CRCICIEC/RICC/FBCEREIEECJSICT=ICC-IEC 与与PN结相似，结相似，BJT的的Spice电容电压控制方程如下：电容电压控制方程如下： CCBCCBCCJCBCECRCCBCmCBCJCBCECRBCBCBCECBEEBEEJEBECCFECBEmEBEJEBECCFBEBEBEFVVmFFCdVdIFVVCdVdIdVdQCFVVmFFCdVdIFVVCdVdIdVdQCCE,0,10,0,103232 SCCSSCSSJSSCCSmSCSJSCSFVVmCFVVCCS,10,10其中其中F和和R分别是理分别是理想正、反

23、向渡越时间。想正、反向渡越时间。 考虑电容后，模型参数增加了考虑电容后，模型参数增加了12个：个： CJE（0）, CJC （0）, CJS （0）,E,C,S, mE,mC, mS, F，R 和和 FC。在考虑温度模型和噪声模型，还应该增加在考虑温度模型和噪声模型，还应该增加5个参数：个参数：E g， XT， XTI，K f，Af,(a) 饱和电流随温度的变化饱和电流随温度的变化 (b)电流放大系数随温度的变化电流放大系数随温度的变化(c)串联电阻随温度的变化串联电阻随温度的变化 (d) 内建电势随温度的变化内建电势随温度的变化（e）势垒电容随温度的变化势垒电容随温度的变化EM小信号等效电路

24、模型小信号等效电路模型 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 ：集电极集电极-衬底电容衬底电容C：发发-基极等效电容基极等效电容jebCCC2. Gummel-Poon模型模型 Spice的的Gummel-Poon模型是一种适合于晶体管各工作区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、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，以及基区宽度调制效应、基极电阻随电流和偏压

25、的变化，以及拟饱和效应等。拟饱和效应等。 F(理想最大正向电流增益理想最大正向电流增益)值随值随IC电流变化如下图所示。其电流变化如下图所示。其中区域中区域是低电流区，是低电流区，F随随IC增长而增加；区域增长而增加；区域是中电是中电流区，流区，F 近似于常数；区域近似于常数；区域是高电流区，是高电流区，F随随IC增加而增加而降低。降低。FILIKFICFM11/nEL-1区域区域区域 VBC=0时时IC和和IB随随VBE变化的曲线如图所示。由图中曲变化的曲线如图所示。由图中曲线可以看出电流变化对线可以看出电流变化对值的影响。值的影响。FICIBlnIlnISlnIS/FMVBC=0VBE区域

26、 区域区域 与与Ebers-Moll静态模型相比，静态模型相比，Gummel-Poon静态模型的特性有了改进，表现在以下几个静态模型的特性有了改进，表现在以下几个方面：方面： （1）低电流）低电流值下降。值下降。 （2）基区宽度调制效应，引入反向）基区宽度调制效应，引入反向Early电压电压VAR。 （3）大注入效应，又叫大电流效应。晶体管共射极电流）大注入效应，又叫大电流效应。晶体管共射极电流放大系数放大系数F（或（或R）将随电流的增加而减小，引入大注入）将随电流的增加而减小，引入大注入拐点电流拐点电流IKR。 (4) 发射系数的影响发射系数的影响 , 增加两个参数增加两个参数,nF和和nR

27、。 （5）基区电阻随电流变化，由参数）基区电阻随电流变化，由参数RB，RBM和和IRB表征。表征。 RB表示零偏压时的基区电阻，表示零偏压时的基区电阻， RBM表示大电流时的最小基表示大电流时的最小基区电阻，区电阻， IRB表示基区电阻下降到一半时的电流。表示基区电阻下降到一半时的电流。 小电流时，小电流时，IB还包含表面复合电流，发射极还包含表面复合电流，发射极基极耗尽区基极耗尽区复合电流以及发射极复合电流以及发射极集电极沟道电流。而发射极集电极沟道电流。而发射极基极基极耗尽区复合电流是主要的。所以增加两个电流源：耗尽区复合电流是主要的。所以增加两个电流源：因而增加因而增加C2、C4（正反向

28、小电流非理想基极电流系数）和正反向小电流非理想基极电流系数）和nEL、nCL (小电流基极小电流基极发射极发射系数和基极发射极发射系数和基极集电极发集电极发射系数射系数)。相当于在相当于在EM模型中增加了两个非理想二极管。模型中增加了两个非理想二极管。 1 1)/(4)/(2kTnqVSRkTnqVSFCLBCELBEeICeIC而言：对而言：对 1 1)/()/(kTnqVSCLCkTnqVSELECLBCELBEeIIeII 因而因而Gummel-Poon静态模型如图所示：静态模型如图所示：CBRBB + IBVBC-RCIC+VBEIEREEIEC/RICC/FICT=ICC-IECBC

29、EILEILC 图中各工作区电流方程如下： 正向放大区： 极电流IC和IE的工作范围是VBE5kT/q,VBC-5kT/q。式中nF、nR分别是正、反向电流发射系数，qb代表基区存储的多数载流子。min42min4111111gVVICeICeIIgVqqVICqeqIIRBCFBESkTnqVSRkTnqVFSEBCRbbBESRbkTnqVbSCELBEFBEFBE 反向区： 极电流IC和IE的工作范围是VBE-5kT/q，VBC-5kT/q。min42min411111111gVVeICICeIIgVqqVeICeqeqIIRBCFBEkTnqVSSkTnqVRFSEBCRbbBEkTn

30、qVSkTnqVRbkTnqVBSCCLBCRBCCLBCRBCRBC 饱和区： 极电流IC和IE的工作范围是VBE-5kT/q，VBC - 5kT/q。min42min41111111111gVVeICeICeeIIgVqqVeICeqeeqIIRBCFBEkTnqVSkTnqVSkTnqVRkTnqVFSEBCRbbBEkTnqVSkTnqVRbkTnVkTnqVbSCCLBCELBERBEFBECLBCRBCRBEFBE 截止区： 极电流IC和IE的工作范围是VBE-5kT/q,VBC-5kT/q。min42min41111gVVICICIIgVqqVICIIRBCFBESSRFSEBC

31、RbbBESRSCGummel-Poon大信号模型大信号模型 Spice的的Gummel-Poon大信号电路模型的拓扑结构与大信号电路模型的拓扑结构与Ebers-Moll模型相同，其非线性存储元件、电压控制电容模型相同，其非线性存储元件、电压控制电容的方程也与的方程也与Ebers-Moll模型相同，只是模型相同，只是IEC和和ICC由由ISS和和qb的的值决定。值决定。 Gummel-Poon模型有模型有3个与个与Ebers-Moll模型不同的效应：模型不同的效应：基极基极-集电极分配电容，正向渡越时间集电极分配电容，正向渡越时间(F)，剩余相位，剩余相位(Excess Phase)基区的分配

32、现象。基区的分配现象。基极基极-集电极分配电容集电极分配电容 为使基极集电极的电容和电阻更接近实际器件，将为使基极集电极的电容和电阻更接近实际器件，将集电结电容分为两个部分：集电结电容分为两个部分：XCJCCJC是在内部基极节点和是在内部基极节点和集电极之间的电容集电极之间的电容(1-XCJCCJC)是在外部基极节点与集电极是在外部基极节点与集电极之间的电容。其中参数之间的电容。其中参数XCJC在在01之间变化；之间变化；CJC是基极是基极集电极之间的总电容。集电极之间的总电容。式中式中C是基极集电极内建电势。是基极集电极内建电势。 CCBXCBXCCJCJCCCBXmCBXCJCJCJXFV

33、VmFFXCFVVXCCC,10,11032 渡越时间渡越时间(F) 在在IC为大电流时，为大电流时，F与与IC和和VBC的关系不再是无关的，这的关系不再是无关的，这个调制效应可用下面方程描述：个调制效应可用下面方程描述：这就引入这就引入4个模型参数：理想正向渡越时间影响个模型参数：理想正向渡越时间影响F ,FF的大的大电流参数电流参数ITF，描述描述FF随随VBC变化的电压参数变化的电压参数VTF ,FF随偏随偏置变化系数置变化系数XTF244. 11TFCCCCVVTFFFFIIIeXTFBC公式符号 参数名 定 义单位 默认值 IS IS饱和电流 A110-6 F BF理想最大正向电流增

34、益 100 R BR反向电流放大系数最大值 1 nF NF正向电流发射系数 1 nR NR反向电流发射系数 1 C2ISE(C2)基极-发射极漏饱和电流 A 0BJT晶体管模型总参数表晶体管模型总参数表公式符号 参数名 定 义单位 默认值 C4ISC(C4)基极-集电极漏饱和电流 A 0 IKF IKF正向膝点电流 A IKR IKR反向膝点电流 A nEL NE基极-发射极漏发射系数 1.5 nCL NC基极-集电极漏发射系数 2 VA VAF正向Early电压 V VB VAR反向Early电压 V 公式符号 参数名 定 义单位 默认值 rC RC集电极电阻 0 rE RE发射极电阻 0

35、rB RB零偏基极电阻 0 rBM RBM最小基极电阻(高电流时) RB IrB IRB基极电阻下降为1/2时的电阻 A F TF理想正向渡越时间 s 0 R TR理想反向渡越时间 s 0公式符号 参数名 定 义单位 默认值 XTF XTFF随偏置变化系数 0 VTF VTF描述F随VBC变化的电压参数 V ITF ITF影响F的大电流参数 A 0 PTF PTF在f(1/2)F时超前相移 rad 0 CJE CJEBE结零偏置耗尽电容 F 0 E VJEBE结内建电势 V 0.75 mE MJEBE结梯度因子 0.33公式符号 参数名 定 义单位 默认值 CJC CJC零偏集电结PN结耗尽电

36、容 F 0 C VJC基极-集电极内建电势 V 0.75 mC MJCBC结梯度因子 0.33 CJS CJS集电极-衬底结零偏置电容 F 0 S VJS衬底结内建电势 V 0.75 mS MJS衬底结梯度因子 0 XCJC XCJCBC结耗尽电容连到基极内节点底百分数 1公式符号 参数名 定 义单位 默认值 FC FC正偏耗尽电容参数 0.5 XTB XTBBF和BR底温度系数 0 XTI XTIIS的温度效应指数 3 Eg EGIS温度效应中的禁带宽度 eV 1.11 Kf KF1/f闪烁噪声系数 0 af AF1/f闪烁噪声指数 1 T T工作温度 277.4 结型场效应晶体管模型结型场

37、效应晶体管模型 Spice的结型场效应晶体管模型的结型场效应晶体管模型(JFET)是基于是基于Schichman和和Hodges提出的模型。提出的模型。JFET的基本结构如图所示的基本结构如图所示IGVGS+-IS源极SG栅极-VDS+IDD漏极耗尽区P型掺杂N型沟通0.20.40.60.81.00ID,sat/IDSS0.20.40.60.81.0平方率突变结JFET特性VGSIDVDS线性区饱和区VDS=VD,satVGS= -1VGS= -2VGS= -3VGS= -VP JFET场效应管的输出特性：场效应管的输出特性： JFET场效应管的输入特性：场效应管的输入特性： N沟道沟道JFE

38、T静态模型的等效电路如图所示。其中，栅源、静态模型的等效电路如图所示。其中，栅源、栅漏为两个栅漏为两个PN结；结；RD和和RS为漏区和源区电阻；其为漏区和源区电阻；其ID随栅随栅源电压源电压VGS和阀值电压和阀值电压VT0的差值的差值(VGS-VT0)而变化。而变化。GVGD+-VGS+-IDIGDIGSDRD+VDS-RSS(2)正向模型（正向模型（VDS 0） 0002000,120,10, 0TGSDSDSDSTGSDSDSTGSDSTGSTGDDVVVVVVVVVVVVVVVVI(2)反向模型（反向模型（VDSVTH，VDSVTH，VDSVGSVTH，MOS管工作在饱和区。管工作在饱和

39、区。电流方程为：电流方程为： DS2THGS0PDS122VVVXLWKIjl（3）两个衬底）两个衬底PN结结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。 当当VBS0时时 1expBSSSBSkTqVII当当VBD0时时 1expBDSDBDkTqVIIu二阶模型所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 ，但模型计，但模型计算中考虑了各种二阶效应对算中考虑了各种二阶效应对MOS器件漏电流及阈值电压等器件漏电流及阈值电压等特性的影响。这些二阶效应包括：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

40、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。（1）短沟道对阈值电压的影响）短沟道对阈值电压的影响 沟道长度沟道长度L的减少，使衬底耗尽层的体电荷对阈值电的减少，使衬底耗尽层的体电荷对阈值电压贡献减少。体电荷的影响是由体效应系数压贡献减少

41、。体电荷的影响是由体效应系数体现的，它的体现的，它的变化使变化使V TH变化。考虑了短沟效应后的体效应系数变化。考虑了短沟效应后的体效应系数S为：为： 12121jjl0jSXWXLX可见，当沟道长度可见，当沟道长度L减小时阈值减小时阈值电压降低，也就是常说的短沟道电压降低，也就是常说的短沟道效应，公式中效应，公式中S 代替代替 ：FSsT0TH22BVVVF0.00.51.01.50.00.51.01.52.02.5Vth - Vfb (V)L (m)Tox=25nmVds=5V（2）静电反馈效应）静电反馈效应 随着随着VDS的增加，在漏区这一边的耗尽层宽度会有的增加，在漏区这一边的耗尽层宽

42、度会有所增加，这时漏区和源区的耗尽层宽度所增加，这时漏区和源区的耗尽层宽度WD和和WS分别为：分别为： DSBSFDD2VVXWBSFDS2VXWSUBD2qNXSi上式中，上式中， ，因此，因此S修正为：修正为： SDDDXWXWLLX11211212211jSj0jS可见，由于可见，由于VDS的增加而造成的的增加而造成的WD增加，会使阈值电压进增加，会使阈值电压进一步下降，即一步下降，即DIBL效应，也是一种短沟道效应。效应，也是一种短沟道效应。 FBSsT0TH22VVVF0.00.10.20.30.40.50.00.51.01.52.0Vds (V)Vth (V)W/L=10/0.4T

43、ox=7nmDIBL效应：漏致势垒下降效应。即效应：漏致势垒下降效应。即VDS的增加使源漏势垒下的增加使源漏势垒下降。表现为随着降。表现为随着VDS的增加，阈值电压进一步下降。的增加，阈值电压进一步下降。（3）窄沟道效应）窄沟道效应实际的栅总有一部分要覆盖在场氧化层上实际的栅总有一部分要覆盖在场氧化层上(沟道宽度以外沟道宽度以外)，因此场氧化层下也会引起耗尽电荷。这部分电荷虽然很少，因此场氧化层下也会引起耗尽电荷。这部分电荷虽然很少，但当沟道宽度但当沟道宽度W很窄时，它在整个耗尽电荷中所占的比例很窄时，它在整个耗尽电荷中所占的比例将增大。与没有将增大。与没有“边缘边缘”效应时的情况相比较，栅电

44、压要效应时的情况相比较，栅电压要加得较大才能使沟道反型，如图。加得较大才能使沟道反型，如图。引入模型参数引入模型参数 来描述阈值电来描述阈值电压随沟道宽度的缩小而增加，压随沟道宽度的缩小而增加，这时这时V TH被修正为：被修正为：BSFoxSiFBSFT0H2422VWCVVVT（4）迁移率修正）迁移率修正 反型层迁移率是一个描述漏电流的非常重要的物理量，研究反型层迁移率是一个描述漏电流的非常重要的物理量，研究表明迁移率主要由散射机制决定表明迁移率主要由散射机制决定, , SiSi表面主要有以下几种散表面主要有以下几种散射机制。一种为库仑散射，为电离杂质和界面电荷引起；一射机制。一种为库仑散射

45、，为电离杂质和界面电荷引起；一种为声子散射，为晶格振动引起；一种为表面粗糙度引起的种为声子散射，为晶格振动引起；一种为表面粗糙度引起的散射，这种散射为表面所特有。散射，这种散射为表面所特有。 右图为几种不同散射机制对右图为几种不同散射机制对 s s的影响的示意图，它们满足的影响的示意图，它们满足Matthiessen公式公式1111scoulombphsr 图中横坐标为有效横向电场，定义为对反型层内的电子分图中横坐标为有效横向电场，定义为对反型层内的电子分布进行平均的电场，布进行平均的电场，在栅电压增加时，在栅电压增加时，有效横向电场增大，有效横向电场增大，表面迁移率率会有所下降，其经验公式为

46、：表面迁移率率会有所下降，其经验公式为： 式中，式中， 0表面迁移率；表面迁移率；Ucrit为栅为栅-沟道的临界电场强度；沟道的临界电场强度； Utra是横向电场系数，它表示是横向电场系数，它表示VDS对栅对栅-沟道电场的影响；沟道电场的影响； UEXP为迁移率下降的临界指数系数。为迁移率下降的临界指数系数。EXPtraTHGSOXcritOXSi0SUVUVVtUDS（5）沟道长度调制效应）沟道长度调制效应 当当VDS增大时，增大时，MOS管的漏端沟道被夹断并进入饱和，管的漏端沟道被夹断并进入饱和，VDS进一步增大，该夹断点向源区移动，从而使沟道进一步增大，该夹断点向源区移动，从而使沟道的有

47、效长度减小，这就是沟道长度调制效应的有效长度减小，这就是沟道长度调制效应 。 在考虑了沟道长度调制效应后，器件的有效沟道长在考虑了沟道长度调制效应后，器件的有效沟道长度为：度为：LXLLeffjl022124142DSATDSDSATDSSiVVVVqNL式中式中： DSeffVXLL12jl0也可通过给出沟道长度调制系数也可通过给出沟道长度调制系数得出有效沟道长度得出有效沟道长度 （6）载流子有限漂移速度引起的电流饱和）载流子有限漂移速度引起的电流饱和 对于同样的几何尺寸比、同样的工艺和偏置，短沟道对于同样的几何尺寸比、同样的工艺和偏置，短沟道器件比起长沟道器件来讲饱和电流要小。器件比起长沟

48、道器件来讲饱和电流要小。 在在MOS2模型中，引入了参数模型中，引入了参数max表示载流子的最大表示载流子的最大漂移速率，于是有：漂移速率，于是有：CHANDSATmaxWQIv 在低电场情形下，载流子的漂移速度与电场强度成比例，在低电场情形下，载流子的漂移速度与电场强度成比例，且比例因子且比例因子( (迁移率迁移率) )为常数为常数 ，但当电场增强到，但当电场增强到10103 3V/cmV/cm以上时，以上时，载流子获得的能量增加，散射加强，因而迁移率下降，速度与载流子获得的能量增加，散射加强，因而迁移率下降，速度与电场强度不再成正比，当电场继续增加时，载流子获得的能量电场强度不再成正比，当

49、电场继续增加时，载流子获得的能量可以与光学波声子的能量相比，散射时可以发射光学波声子，可以与光学波声子的能量相比，散射时可以发射光学波声子，于是载流子的漂移速度不再增加，而是维持一个一定的数值，于是载流子的漂移速度不再增加，而是维持一个一定的数值，称为散射极限速度或饱和速度，以称为散射极限速度或饱和速度，以v vsat表示。表示。 （7）弱反型导电）弱反型导电 MOSFET并不是一个理想的开关，实际上当并不是一个理想的开关，实际上当VGSVTH时在表面处就有电子浓度，也就是当表面不是强反型时就存时在表面处就有电子浓度，也就是当表面不是强反型时就存在电流。这个电流称为弱反型电流或次开启电流。在电

50、流。这个电流称为弱反型电流或次开启电流。SPICE2中定义一个新的阈值电压中定义一个新的阈值电压VON，它标志着器件从弱反型进入它标志着器件从弱反型进入强反型。当强反型。当VGSVON时为弱反型，当时为弱反型，当VGSVON时，为强反时，为强反型。型。qnkTVVTHON在弱反型导电时，在弱反型导电时，考虑扩散电流分量，可得到漏极电流考虑扩散电流分量，可得到漏极电流为为漏源电流方程为：漏源电流方程为： ONGSONDSexpVVnkTqII MOS3模型是一个半经验模型，适用于短沟道器件，对模型是一个半经验模型，适用于短沟道器件，对于沟长于沟长 2 m的器件所得模拟结果很精确。在的器件所得模拟

51、结果很精确。在MOS3中考虑的中考虑的器器 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和电流、沟

52、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：式，并引入了新的模型参数：（EAT）、）、（DETA）、）、（THETA）和和（KAPPA）。）。下面分别讨论下面分别讨论MOS3半经验公式及这三个参数的意义：半经验公式及这三个参数的意义：（1）阈值电压的半经验公式）阈值电压的半经验公式BSFNBSFS3OX22FFBTH221015. 82VFVFVLCVVDS式中，式中，是模拟静电反馈效应的经验模型参数，是模拟静电反馈效应的经验模型参数， FS为短沟道效应的校正因子，为短沟道效应的校正因子，FN为窄沟道效正因子。为窄沟道效正因子。 jjPjPjCjeffjSXXWXWXWX

53、LXF1111WCFOXSn4 在在MOS3中采用改进的梯形耗尽层模型，考虑了圆柱中采用改进的梯形耗尽层模型，考虑了圆柱形电场分布的影响，如图所示。图中形电场分布的影响，如图所示。图中Wc为圆柱结耗尽为圆柱结耗尽层宽度，层宽度，Wp为平面结耗尽层宽度为平面结耗尽层宽度 。（2）表面迁移率调制）表面迁移率调制 表示迁移率和栅电场关系的经验公式为：表示迁移率和栅电场关系的经验公式为：THGS0S1VV式中经验模型参数式中经验模型参数称为迁移率调制系数称为迁移率调制系数 。（3）热电子速度饱和）热电子速度饱和热电子速度饱和使得线性区电流下降，用有效迁移率来模热电子速度饱和使得线性区电流下降，用有效迁

54、移率来模拟，可见当拟，可见当VDS/L增加，有效迁移率下降。增加，有效迁移率下降。LvVDSSSmaxeff1（5）沟道长度调制减小量的半经验公式）沟道长度调制减小量的半经验公式 当当VDS大于大于VDSAT时，载流子速度饱和点的位置逐渐移向时，载流子速度饱和点的位置逐渐移向源区，造成沟道长度调制效应。沟道长度的减小量源区，造成沟道长度调制效应。沟道长度的减小量L为：为： 222DPDSATDS2D22DPDXEVVXXEXL上式中，上式中，EP为夹断点处的横向电场，为夹断点处的横向电场，为饱和电场系数。为饱和电场系数。（4）饱和电压下降）饱和电压下降（6）弱反型导电）弱反型导电LgIEDSA

55、TDSATP22babaDSATVVVVVMOS3模型简单，如线性区电流方程为物理模型的泰勒展模型简单，如线性区电流方程为物理模型的泰勒展开开： 式中：式中：为衬底电荷的泰勒级数。为衬底电荷的泰勒级数。DSDSBTHGSDSVVFVVI21nBSPSBFVFF22（1）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，当当VBS，VBD(FCB)时时SWjBSSjsw0BS0 jBS11mBmBSVPCVACCSWjBDDjsw0BDDj0BD11mBmBVPCVACC模型中有两个反向衬底电容模型中有两个反向衬底电容CBD和和CBS，还

56、有三个与器件特还有三个与器件特性密切相关的电容性密切相关的电容CGB、CGS、CGD。（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其中不随偏压而变的部分是Parasitic Capacitance：栅极与栅极与源区、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电容(在场氧化层上在场氧化层上)，即：，即：CGB2CGB0LCGS2CGS0WCGD2CGD0W 随偏

57、压而变的栅电容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，模型是容相串联的部分，模型是Meyer提出的。下表列出了不同工提出的。下表列出了不同工作区栅电容的变化：作区栅电容的变化：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 反映电荷存储效应总的电容模型反映电荷存储效应总的电容模型 截至区截至区VGS(VTH-2P)：WCCWCCLCCCGDOGDGSOGSeffGBOOXGB 弱反型区弱反

58、型区(VTH -2P) VGSVTH：WCCWCVVCCLCVVCCGDOGDGSOPGSONOXGSeffGBOPGSONOXGB12322 饱和区饱和区VTHVGS(VTH+VDS)：WCVVVVVCCWCVVVVVVCCLCCGDODSONGSONGSOXGDGSODSONGSONDSGSOXGSeffGBOGB222121 漏区和源区的串联电阻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处的电压。在外部端口处的电压。SPICE2等效电路中插入了两个电等效电

59、路中插入了两个电阻阻rD和和rS，它们的值可在模型语句：它们的值可在模型语句：“MODEL ”中给中给定，也可通过定，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电阻漏扩散区和源扩散区薄层电阻 ；NRD漏扩散区等效的方块数；漏扩散区等效的方块数；NRS源扩散区等效的方块数。源扩散区等效的方块数。 MOSFET Spice模型的比较模型的比较 一级一级 MOSFET模型不很精确，理论上太复杂，有效参数模型不很精确，理论上太复杂，有效参数太少，多用来迅速、粗略地估计电路性能。太少，多用来迅速、粗略地估计电路

60、性能。 二级二级 MOSFET模型可以使用于复杂程度不同的模型。二模型可以使用于复杂程度不同的模型。二级模型计算较多，占用级模型计算较多，占用CPU时间长，常常不能收敛。时间长，常常不能收敛。 三级三级 MOSFET模型的精度与二级模型相同，计算时间和模型的精度与二级模型相同，计算时间和重复次数少，只是某些计算比较复杂。设计时最好采用三重复次数少，只是某些计算比较复杂。设计时最好采用三级模型，而在精度要求不高时采用一级模型较好。级模型，而在精度要求不高时采用一级模型较好。 MOSFET模型参数表模型参数表公式符号参数名 级 定 义默认值单位 L L沟道长度DEFL m W W沟道宽度DEFW