集成电路器件模型

集成电路器件模型第1页，共40页，2023年，2月20日，星期四第三章集成电路器件模型41235二极管模型双极型晶体管模型MOS晶体管模型JFET模型、MESFET模型无源器件模型6噪声模型2第2页，共40页，2023年，2月20日，星期四器件模型电路中的有源器件用模型描述该器件的特性。器件模型是根据器件的端电压和端电流的关系，利用数学方程、等效电路以及工艺数据拟合等方法来描述器件的功能和性能，是集成电路设计中对器件功能和性能进行模拟验证的重要依据。电路模拟结果是否符合实际情况，主要取决于器件模型是否正确，特别是采用的模型参数是否真正代表实际器件的特性。不同的电路模拟软件中采用的模型不完全相同，模型参数的名称和个数也不尽相同。3第3页，共40页，2023年，2月20日，星期四器件模型越精确，电路模拟效果越好，但是计算量也越大，因此应折衷考虑。对同一种器件，往往提出几种模型。学习中应该掌握模型参数的含义，特别应注意每个模型参数的作用特点，即在不同的电路特性分析中必需考虑哪些模型参数。每个模型参数均有内定值。除了描述基本直流模型的几个参数外，其他模型参数如果采用内定值，相当于不考虑相应的效应。如果采用模拟软件附带的模型参数库，当然不存在任何问题。如果采用模型参数库中未包括的器件，如何比较精确地确定该器件的模型参数将是影响电路模拟结果的关键问题。4第4页，共40页，2023年，2月20日，星期四一、二极管模型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，它是微电子器件的基础。通过某种方法使半导体中一部分区域为P型，另一部分区域为N型，则在其交界面就形成了PN结。以PN结构成的二极管最基本的电学行为是具有单向导电性。5第5页，共40页，2023年，2月20日，星期四Cj和Cd分别代表PN结的势垒电容和扩散电容。

RS代表从外电极到结的路径上通常是半导体材料的电阻，称之为体电阻。二极管等效电路模型6第6页，共40页，2023年，2月20日，星期四二极管模型参数参数名符号Spice名单位缺省值饱和电流ISISA1.0×10-14发射系数nN-1串联体电阻RSRS0渡越时间DTTs0零偏势垒电容Cj0CJ0F0梯度因子mM-0.5PN结内建势垒V0VJV17第7页，共40页，2023年，2月20日，星期四二、双极晶体管模型SPICE中的双极型晶体管常用两种物理模型，两种模型参数能较好地反映物理本质且易于测量。EM（Ebers-Moll）模型：1954年由J.J.Ebers和J.L.Moll提出。GP（Gummel-Poon）模型：1970年由H．K．Gummel和H．C．Poon提出。8第8页，共40页，2023年，2月20日，星期四双极型晶体管EM模型9第9页，共40页，2023年，2月20日，星期四EM模型将电流增益作为频率的函数来处理，对计算晶体管存贮效应和瞬态特性不方便。改进的EM模型采用电荷控制观点，增加电容到模型中。进一步考虑到发射极、基极和集电极串联电阻，以及集成电路中集电结对衬底的电容，于是得到EM2模型。NPNEM直流模型10第10页，共40页，2023年，2月20日，星期四EM2模型EM大信号模型11第11页，共40页，2023年，2月20日，星期四EM小信号等效电路基区宽度调制效应参数欧拉电压12第12页，共40页，2023年，2月20日，星期四双极型体管GP模型13第13页，共40页，2023年，2月20日，星期四与EM模型相比，GP模型增加以下几个物理效应：小电流时β值下降大注入效应，改善了高电平下的伏安特性基区宽度调制效应：改善了输出电导、电流增益和特征频率，反映了共射极电流放大倍数β随电流和电压的变化发射系数的影响基极电阻随电流变化正向渡越时间τF随集电极电流IC的变化，解决了在大注入条件下由于基区展宽效应使特征频率fT和IC成反比的特性。模型参数和温度的关系。根据横向和纵向双极晶体管的不同，外延层电荷存储引起的准饱和效应。双极型晶体管GP模型14第14页，共40页，2023年，2月20日，星期四GP直流模型15第15页，共40页，2023年，2月20日，星期四GP大信号模型GP大信号模型与EM大信号模型类似，引入修正内容：集电结电容分布特性：划分为两个电容渡越时间随偏置的变化：大电流时τF不再是常数基区中的分布现象16第16页，共40页，2023年，2月20日，星期四GP小信号模型与EM小信号模型十分一致，只是参数的值不同。GP小信号模型17第17页，共40页，2023年，2月20日，星期四双极型晶体管SPICE模型参数参数名公式中符号SPICE中符号单位SPICE默认值饱和电流ISISA10－16理想最大正向电流增益αFBF－100理想最大反向电流增益αRBR－1正向厄利（欧拉）电压VAFVAFV∞反向厄利（欧拉）电压VARVARV∞基极-发射极结梯度因子mEMJE－0.33基极-集电极结梯度因子mCMJC－0.33衬底结指数因子msMJS－0.0基极-发射极内建电势VE0VJEV0.75基极-集电极内建电势VC0VJCV0.75衬底结内建电势VS0VJSV0.7518第18页，共40页，2023年，2月20日，星期四三、MOSFET模型常用的几种MOSFET模型Level=1 Shichman-HodgesLevel=2 基于几何图形的分析模型

Grove-FrohmanModel(SPICE2G)Level=3 半经验短沟道模型(SPICE2G)Level=49

BSIM3V3BSIM,3rd,Version3Level=50

PhilipsMOS919第19页，共40页，2023年，2月20日，星期四MOSFET一级模型又称MOS1模型，这是最简单的模型，适用于手工计算。当MOS器件的栅长和栅宽大于10µm、衬底掺杂低，而我们又需要一个简单的模型时，那么由Shichman和Hodges提出的MOS1模型是适合的。20第20页，共40页，2023年，2月20日，星期四MOSFET一级模型(Level=1)MOS1模型包括了漏区和源区的串联电阻rD和rS，两个衬底PN结和结电容CBS、CBD，反映电荷存储效应的三个非线性电容CGB、CGS和CGD以及受控电流源IDS。21第21页，共40页，2023年，2月20日，星期四MOSFET一级模型(Level=1)描述I和V的平方率特性,它考虑了衬底调制效应和沟道长度调制效应:KP=µCox本征跨导参数Cox=ox/Tox单位面积的栅氧化层电容LO有效沟道长度,L版图栅长,LD沟道横向扩散长度非饱和区饱和区MOSFET电流方程模型22第22页，共40页，2023年，2月20日，星期四MOSFET一级模型(Level=1)（续）MOSFET的阈值电压Vth本质上由栅级上的电荷,绝缘层中的电荷和沟道区电荷之间的平衡决定VTO：Vbs=0时的阈值电压Vbs：衬底到源区的偏压：体效应阈值系数，反映了Vth随衬-源偏置Vbs的变化。23第23页，共40页，2023年，2月20日，星期四VFB=MS

QSS/COXNSUB为衬底(阱)掺杂浓度,它也决定了体内费米势F当半导体表面的费米势等于F时，半导体表面处于强反型,此时表面势PHI=2Fn型反型层PHI>0,p型反型层PHI<0VFB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.24第24页，共40页，2023年，2月20日，星期四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.25第25页，共40页，2023年，2月20日，星期四MOSFET一级模型直流特性涉及的模型参数参数符号SPICE名说明VTOVTO衬底零偏置时源阈值电压KPKP本征跨导参数GAMMA体效应阈值系数2FPHI强反型时的表面势垒高度LAMBDA沟道长度调制系数µo/µnUO表面迁移率L 沟道长度LDLD沟道长度方向上横向扩散长度W沟道宽度TOXTOX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26第26页，共40页，2023年，2月20日，星期四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会计算出相应的器件参数.IS: 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27第27页，共40页，2023年，2月20日，星期四Iss=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28第28页，共40页，2023年，2月20日，星期四MOSFET二级模型又称MOS2模型，LEVEL＝2的MOS2模型在MOS1模型基础上考虑了一些二阶效应，提出了短沟道或窄沟道MOS管的模型，又被称为二维解析模型。29第29页，共40页，2023年，2月20日，星期四MOSFET二级模型

MOS2模型考虑的二阶效应主要包括：（1）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（3）沟道宽度对阈值电压的影响（4）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（6）载流子漂移速度限制而引起的电流饱和效应30第30页，共40页，2023年，2月20日，星期四MOSFET三级模型又称MOS3模型，MOS3模型是一个半经验模型，适用于短沟道器件。31第31页，共40页，2023年，2月20日，星期四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.短沟道效应和窄沟道效应对阈值电压的影响.载流子极限漂移速度引起的沟道电流饱和效应表面电场对载流子迁移率的影响.沿沟道方向(Y方向)的阈值电压半经验公式:MOSFET三级模型——

半经验短沟道模型(Level=3)32第32页，共40页，2023年，2月20日，星期四半经验短沟道模型(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.与MOS2模型相比，MOS3模型引入三个新的模型参数为: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.33第33页，共40页，2023年，2月20日，星期四MOSFET49级模型(Level=49,BSIM3V3——Berkeleyshort-channelIGFETmodel)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34第34页，共40页，2023年，2月20日，星期四MOSFET49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)35第35页，共40页，2023年，2月20日，星期四飞利浦MOSFET模型(Level=50)共有72个模型参数.最适合于对模拟电路进行模拟.36第36页，共40页，2023年，2月20日，星期四不同MOSFET模型应用场合Level1 简单MOSFET模型，适用于长沟道器件Level2 2m器件模拟分析Level3 0.9m器件数字分析BSIM1 0.8m器件数字分析BSIM2 0.3m器件模拟与数字分析BSIM3 0.5m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=11 SOI（绝缘层上硅）器件对电路设计者来说,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.37第37页，共40页，2023年，2月20日，星期四例.MODELCMOSNNMOS(LEVEL=49+VERSION=3.1 TNOM=27 TOX=7.6E-9+XJ=1E-7 NCH=2.3579E17 VTH0=0.5085347+K1=0.5435268 K2=0.0166934 K3=2.745303E-3+K3B=0.6056312 W0=1E-7NLX=2.869371E-7+DVT0W=0 DVT1W=0 DVT2W=0+DVT0=1.7544494 DVT1=0.4703288 DVT2=0.0394498+U0=489.0696189 UA=5.339423E-10 UB=1.548022E-18+UC=5.795283E-11 VSAT=1.191395E5 A0=0.8842702+AGS=0.1613116 B0=1.77474E-6 B1=5E-6+KETA=5.806511E-3 A1=0 A2=1台积电公司某一批0.35mCMOS工艺NMOS器件的Star-HSpice参数(命名为CMOSN的NMOS模型库Spice文件)38第38页，共40页，2023年，2月20日，星期四+RDSW=1.88264E3 PRWG=-0.105799 PRWB=-0.0152046+WR=1 WINT=7.381398E-8 LINT=1.030561E-8+XL=-2E-8 XW=0 DWG=-1.493222E-8+DWB=9.792339E-9 VOFF=-0.0951708 NFACTOR=1.2401249+CIT=0 CDSC=4.9