集成电路器件及SPICE模型课件

1、30 七月 2022集成电路器件及SPICE模型26.1 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第六章 集成电路器件及SPICE模型6.1 无源器件结构及模型 3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 6.1.1 互连线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 6.1.2 电

2、阻实现电阻有三种方式： 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 4单线和U-型电阻56直流电阻 Ron交流电阻 rds栅、漏短接并工作在饱和区的MOS有源电阻 NMOSPMOS7直流电阻 Ron交流电阻 rds条件：VGS保持不变VGS保持不变的饱和区有源电阻8( a ) ( d ) 和 ( c ) 直流电阻 Ron交流电阻 rds有源电阻的几种形式6.1.3 电容在高速集成电路中，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

3、)结构；4）利用类似于图6.5(b)的多晶硅/金属-绝缘体-多晶硅结构；9叉指结构电容和MIM 结构电容 10MIM电容采用平板电容公式高频等效模型 自谐振频率 f0 品质因数 Q11工作频率f f0 / 36.1.4 电感12单匝线圈版图 a，w 取微米单位 集总电感13多匝螺旋形线圈电感值计算公式式中：ri=螺旋的内半径，微米， r0=螺旋的外半径，微米， N=匝数。电感等效电路14获得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 l l/2范围内的开路传输线。 15 双端口电感与键合线电感短路负载：开路负载：传输线电感Z0特征阻抗c0光速传

4、播相位工作频率当l l/4时， l=l当l/4l 0, 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.MOSFET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, 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

5、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.47MOSFET一级模型直流特性涉及的模型参数48参数符号参数记法说明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PHI2F强反型使的表面势垒高度LAMBDA沟道长度调制系数UOo/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NSUBNSUB衬底(阱)掺杂浓度NSSNSS表面态密度VTO, 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

6、计算出相应的器件参数.49IS: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MOSFET一级模型直流特性涉及的模型参数50Iss= ASJS + PSJSSWIds= ADJS + PDJSSWIb=Ibs + Ibd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型参数MOSFET二级模型方程 取消了渐变沟道近似分析法中的一些简化假设。特别是在计算整体耗尽电荷时，考虑到了沟道电压的影响。同时对基本

7、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。本质上也包括了短、窄沟道效应的相关方程。 51MOSFET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垒降低而使阈值电 压下降的静电反馈效应.2 ) 短沟道效应和窄沟道效应对阈值电压的影响.3 ) 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.沿沟道方向(Y方向)的阈值电压半经

8、验公式: 52半经验短沟道模型(Level=3)(续)静电反馈系数ETA是模拟静电反馈效应的经验模型参数.载流子s随VGS而变化THETA称之为迁移率调制系数, 是模型参数.沟道长度调制减小量L的 半经验公式为:k称之为饱和电场系数, 模型参数为KAPPA.因此, MESFET三级模型新引入的模型参数为:ETA, THETA, KAPPA除此之外, MESFET三级模型中的阈值电压, 饱和电压, 沟道调制效应和漏源电流表达式等都是半经验表达式.53MOSFET49级模型(Level=49, BSIM3V3)1995年10月31日由加州柏克莱分校推出，基于物理的深亚微米MOSFET模型，可用于模

9、拟和数字电路模拟。(1)阈值电压下降,(2)非均匀掺杂效应,(3)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 沟道电流饱和效应,(5)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.(7)衬底电流引起的体效应(8)亚阈值导通效应(9)寄生电阻效应54MOSFET49级模型(Level=49, BSIM3V3) 共有166(174)个参数!67个DC 参数13个AC 和电容参数2个NQS模型参数10个温度参数11个W和L参数4个边界参数4个工艺参数8个噪声模型参数47二极管, 耗尽层电容和电阻参数8个平滑函数参数(在3.0版本中)55飞利浦MOSFET模

10、型(Level=50)共有72个模型参数.最适合于对模拟电路进行模拟.56不同MOSFET模型应用场合Level 1简单MOSFET模型Level 22m 器件模拟分析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, 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.57例.MODEL CMOSN NMOS ( LEVEL= 49

11、+VERSION= 3.1TNOM= 27TOX= 7.6E-9+XJ= 1E-7NCH= 2.3579E17VTH0= 0.5085347+K1= 0.5435268K2= 0.0166934K3= 2.745303E-3+K3B= 0.6056312W0= 1E-7NLX= 2.869371E-7+DVT0W= 0DVT1W= 0DVT2W= 0+DVT0= 1.7544494DVT1= 0.4703288DVT2= -0.0394498+U0= 489.0696189UA= 5.339423E-10UB= 1.548022E-18+UC= 5.795283E-11VSAT= 1.1913

12、95E5A0= 0.8842702+AGS= 0.1613116B0= 1.77474E-6B1= 5E-6+KETA= 5.806511E-3A1= 0A2= 158台积电公司某一批0.35m CMOS工艺NMOS器件的Star-HSpice参数(命名为CMOSN的NMOS模型库Spice文件)59+RDSW= 1.88264E3PRWG= -0.105799PRWB= -0.0152046+WR= 1WINT= 7.381398E-8LINT= 1.030561E-8+XL= -2E-8XW= 0DWG= -1.493222E-8+DWB= 9.792339E-9VOFF= -0.0951

13、708NFACTOR= 1.2401249+CIT= 0CDSC= 4.922742E-3CDSCD= 0+CDSCB= 0ETA0= 2.005052E-3ETAB= 5.106831E-3+DSUB= 0.2068625PCLM= 1.9418893PDIBLC1= 0.2403315+PDIBLC2= 5.597608E-3PDIBLCB= -4.18062E-4DROUT= 0.5527689+PSCBE1= 4.863898E8PSCBE2= 1.70429E-5PVAG= 1.0433116+DELTA= 0.01MOBMOD= 1PRT= 0+UTE= -1.5KT1= -0.1

14、1KT1L= 0+KT2= 0.022UA1= 4.31E-9UB1= -7.61E-18例(续1)60+UC1= -5.6E-11AT= 3.3E4WL= 0+WLN= 1WW= -1.22182E-15WWN= 1.137+WWL= 0LL= 0LLN= 1+LW= 0LWN= 1LWL= 0+CAPMOD= 2XPART= 0.4CGDO= 1.96E-10+CGSO= 1.96E-10CGBO= 0CJ= 9.384895E-4+PB= 0.7644361MJ= 0.3394296CJSW= 2.885151E-10+PBSW= 0.8683237MJSW= 0.1808065PVTH

15、0= -0.0101318+PRDSW= -159.9288563PK2= -9.424037E-4WKETA= 4.696914E-3+LKETA= -6.965933E-3PAGS= 0.0718NQSMOD= 1+ELM= 5)*END CMOSN例(续)616.1 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第六章 集成电路器件及SPICE模型采用SPICE的电路设计流程电路元件的SPIC

16、E输入语句格式 标题、结束和注释语句 标题语句必须出现在输入文件的第一行，例如 Low Noise Amplifier或 Test Circuit结束语句必须在输入文件的最后一行，标记文件结束 .END注释语句用于对文件功能进行说明，以“*”开头 * This is a feed back resistor. 电路元件的SPICE输入语句格式 基本元件语句基本元件（除二极管、晶体管、场效应管）包括电阻R电容C电感L互感M无耗传输线线性电压控制电流/电压源线性电流控制电流/电压源独立电源（PULSE SIN EXP PWL SFFM）电阻元件的SPICE输入语句格式 格式Rxxxx N1 N2

17、Value TC=TC1Rxxxx电阻标识，如R230、RCE等N1、N2电阻的两个连接结点标号Value电阻值，可以采用比例缩写因子TC1、TC2一次、二次温度系数例RB 15 18 1MEG TC=0.0012,0.0002R25 20 23 3.9K TC=0.001RS 1 5 100 电容元件的SPICE输入语句格式 格式Cxxxx N+ N- Value Cxxxx电容标识，如C230、CBE等N+、N- 电容的正、负连接结点标号Value电容值，可以采用比例缩写因子Incond测试电压值例CB 15 18 1UF IC=10VC25 20 23 19PF非线性电容元件的SPICE

18、输入语句格式 格式Cxxxx N+ N- POLY C0 C1 C2 Cxxxx电容标识，如C230、CBE等N+、N- 电容的正、负连接结点标号C0、C1多项式系数Incond测试电压值例CB 15 18 POLY 1P 0.2P 0.01P IC=10V电感元件的SPICE输入语句格式 格式Lxxxx N+ N- Value Lxxxx电感标识，如L230、LCE等N+、N- 电感的正、负连接结点标号Value电感值，可以采用比例缩写因子Incond测试电流值例LB 15 18 1MH IC=1MAL25 20 23 19U非线性电感元件的SPICE输入语句格式 格式Lxxxx N+ N-

19、 POLY L0 L1 L2 Lxxxx电感标识，如L230、LCE等N+、N- 电感的正、负连接结点标号L0、L1多项式系数Incond测试电流值例LD 15 18 POLY 10U 1U 2N IC=1MA互感元件的SPICE输入语句格式 格式Kxxxx Lyyyy Lzzzz ValueKxxxx互感标识，如K230、KB等Lyyyy、Lzzzz两个互相耦合的电感名Value互感值（0, 1）例K43 L3 L4 0.82KIN LS LIN 0.9理想传输线的SPICE输入语句格式 格式Txxxx N1 N2 N3 N4 Z0=Value1 F=Freq Txxxx传输线标识，如T23

20、0、TCE等N1、N2、N3、N4两个端口结点标号Value1传输线特性阻抗值Value2传输线延迟值Freq频率 Nrmlen归一化电长度(对波长)例TS 1 0 5 0 Z0=50 TD=100P 线性电压控制受控源的SPICE输入语句格式 格式G/Exxxx N+ N- NC+ NC- VlalueG/Exxxx受控电流/压源标识，如G30、EB等N+、N- 受控源的正负两个输出连接结点标号 NC+、NC- 控制端口的正负连接结点标号Value控制系数2（跨导、电压增益）例G12 2 0 1 0 1.8ME3 3 0 21 0 50线性电流控制受控源的SPICE输入语句格式 格式F/Hx

21、xxx N+ N- Vname VlalueF/Hxxxx受控电流/压源标识，如F3、H2等N+、N- 受控源的正负两个输出结点标号Vname控制电流支路电压源标识Value控制系数（电流增益、转移电阻）例F2 15 18 VS 2H5 20 23 VBE 3.9K直流独立电压/流源的SPICE输入语句格式 格式V/Ixxxx N+ N- DC/Tran ValueV/Ixxxx独立电压/流源标识，如V3、I2等N+、N- 电源的正负两个输出结点标号DC/Tran Value直流和瞬态值，0值可略例VCC 15 0 DC 12VIS 5 2 1M正弦信号源的SPICE输入语句格式 格式V/Ix

22、xxx N+ N- SIN(V0 VA Freq TD Theta)V/Ixxxx信号电压/流源标识，如V3、I2等N+、N- 电源的正负两个输出结点标号V0/VA/Freq/TD/Theta直流分量/交流幅度/频率/延迟时间/衰减系数例VIN 5 0 SIN(0 5 10MEG 1P 0)脉冲信号源的SPICE输入语句格式 格式V/Ixxxx N+ N- PULSE(V1 V2 TD TR TF PW PER)V/Ixxxx信号电压/流源标识，如V3、I2等N+、N- 电源的正负两个输出结点标号V1/V2/TD/TR/TF/PW/PER初值/幅值/延迟时间/上升时间/下降时间/脉宽/周期例V

23、IN 5 0 PULSE(0 5 0 5N 10N 20N 1M)其它信号源指数波EXP(V1 V2 TD1 TAU1 TD2 TAU2)分段线性波PWL(T1 V1 T2 V2 T3 V3 )单频调频波SFEM(V0 VA FC MDI FS)半导体器件器件常常用一套器件模型参数来进行定义。因此，需要用一条独立的.MODEL语句来定义一套器件模型参数,并指定一个专用的模型名。然后，SPICE中的器件描述语句就可以引用这个模型名。 二极管D 双极结型晶体管BJT结型场效应管JFET与MESFET MOSFET MESFET二极管的SPICE输入语句格式 格式Dxxxx N+ N- Mname

24、IC=VD)Dxxxx二极管标识，如D3、DB等N+、N- 二极管的正负结点标号Mname模型名Area面积因子，缺省值1OFFDC分析的ON/OFF起始条件，省却值为ON. VDAC分析的初始条件例D10 13 18 Diode 2.0 0.1 IC=0.3双极性三极管的SPICE输入语句格式 格式Qxxxx NC NB NE Mname IC=VBE,VCE)Qxxxx三极管标识，如Q3、Q10等NC、NB、NE 三极管的三个电极结点标号Mname模型名Area面积因子，缺省值1OFFDC分析的ON/OFF起始条件，省却值为ON. VBE、VCEAC分析的初始条件例Q12 12 13 18

25、 Qmod IC=0.6,3.0JFET/MESFET的SPICE输入语句格式 格式J/Zxxxx ND NG NS Mname IC=VDS,VGS)J/ZxxxxJFET/MESFET标识，如J3、Z10等ND、NG、NS 漏、栅、源极结点标号Mname模型名Area面积因子，缺省值1OFFDC分析的ON/OFF起始条件，省却值为ON. VDS、VGSAC分析的初始条件例J2 2 4 6 Jmod IC=0.6,3.0MOSFET的SPICE输入语句格式Mxxx nd ng ns mname MxxxMOSFET元件名.nd, ng, ns, nb漏, 栅, 源和衬底的 节点名mname模型名, 必须引用一个MOSFET模型.L沟道长度, 省却值为100W沟道宽度, 省却值为100AD、AS漏和源扩散结面积, 省却值为0PD、PS漏和源扩散结周长, 省却值为0MOSFET的SPICE元件输入格式NRD、NRS计算电阻用的漏和源扩散方块数,省却值为0OFFDC分析的ON/OFF起始条件，省却值为ON.IC初始电压条件.TEMP器件工作温度, 单位为C.M乘积因子, 省却值为1.G