集成电路器件和SPICE模型

第6章集成电路器件及SPICE模型第1页/共69页SPICE模型SPICE（Simulationprogramwithintegratedcircuitemphasis）是最为普遍的电路级模拟程序，各软件厂家提供提供了Vspice、Hspice、Pspice等不同版本spice软件，其仿真核心大同小异，都是采用了由美国加州Berkeley大学开发的spice模拟算法。第2页/共69页SPICE模型以元器件的工作原理为基础，从元器件的数学方程式出发，得到的器件模型及模型参数与器件的物理工作原理有密切的关系。SPICE模型是这种模型中应用最广泛的一种。其优点是精度较高，特别是随着建模手段的发展和半导体工艺的进步和规范，人们已可以在多种级别上提供这种模型，满足不同的精度需要。缺点是模型复杂，计算时间长。第3页/共69页6.1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6.5MESFET模型6.6MOS管电流方程及SPICE模型第4页/共69页6.1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、传输线第5页/共69页6.1.1互连线互连线设计应该注意以下方面：大多数连线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）寄生效应第6页/共69页6.1.2电阻实现电阻有四种方式：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.有源电阻第7页/共69页图(a)单线和U-型电阻结构

(b)它们的等效电路

阻值计算最小宽度第8页/共69页图6.2栅漏短接的MOS有源电阻及其I-V曲线Ron直流电阻Ron>交流电阻rds1.栅、漏短接并工作在饱和区的MOS有源电阻

第9页/共69页图6.3饱和区的NMOS有源电阻示意图直流电阻Ron<交流电阻rds条件：VGS保持不变2.VGS保持不变的饱和区有源电阻第10页/共69页对于理想情况，Oˊ点的交流电阻应为无穷大，实际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变，直流电阻则将随着漏源电压变大而变大。第11页/共69页总结：有源电阻的几种形式(a)(d)和(c)直流电阻Ron<交流电阻rds(b)和(e)直流电阻Ron>交流电阻rds第12页/共69页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)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；第13页/共69页图6.5(a)叉指结构电容和(b)MIM结构电容

第14页/共69页电容平板电容公式高频等效模型自谐振频率f0

品质因数Q=f0/(f2-f1)f<f0/3第15页/共69页6.1.4电感引言集总电感单匝线圈版图

a，w取微米单位

第16页/共69页式中：ri=螺旋的内半径，微米，

r0=螺旋的外半径，微米，

N=匝数。多匝螺旋形线圈电感值计算公式为：

第17页/共69页电感电感精度：电感模型第18页/共69页传输线电感获得单端口电感的另一种方法是使用长度l<l/4λ波长的短电传输线(微带或共面波导)或使用长度在l/4λ<l<l/2λ范围内的开路传输线。

双端口电感与键合线电感短路负载：开路负载：第19页/共69页6.1.5分布参数元件集总元件和分布元件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。

第20页/共69页微带线(a)(b)图 典型微带线的剖面图(a)和覆盖钝化膜的微带线(b)第21页/共69页TEM波传输线的条件GaAs衬底的厚度<200umTEM波指电矢量于磁矢量都与传播方向垂直的电磁波。第22页/共69页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。阻抗计算

微带线的衰减α由两部分组成：导线损耗和介质损耗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要集中在微带线下面的介质中。w/h<1w/h>1第23页/共69页共面波导(CPW)(a)(b)图常规共面波导(a)与双线共面波导(b)第24页/共69页CPW传输TEM波的条件CPW的阻抗计算由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CPW的衰减计算第25页/共69页相对于微带线，CPW的优点是：1）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CPW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。3）比金属孔有更低的接地电感。4）低的阻抗和速度色散。CPW的缺点是：1）衰减相对高一些，在50GHz时，CPW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。第26页/共69页6.1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6.5MESFET模型6.6MOS管电流方程及SPICE模型第27页/共69页6.2二极管电流方程及SPICE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。如果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结构成的二极管的最基本的电学行为是具有单向导电性。第28页/共69页图6.9二极管等效电路模型

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。

第29页/共69页

表6.1二极管模型参数对照表

第30页/共69页6.2.2二极管的噪声模型在寄生电阻RS上产生的热噪声：2.闪烁（1/f）噪声和散粒噪声理想二极管产生的1/f噪声和散粒噪声：热噪声第31页/共69页6.1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6.5MESFET模型6.6MOS管电流方程及SPICE模型第32页/共69页6.3双极晶体管电流方程及SPICE模型

SPICE中的双极型晶体管模型常采用Ebers-Moll（即EM）模型和Gummel-Poon（即GP）模型。这两种模型均属于物理模型，其模型参数能较好地反映物理本质且易于测量，所以便于理解和使用。第33页/共69页图6.10EM直流模型

第34页/共69页由于这种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，所以改进的EM模型用了电荷控制观点，即增加电容到模型中。并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。第35页/共69页

图6.11EM2模型

第36页/共69页图6.12EM小信号等效电路

第37页/共69页表6.2双极型晶体管部分模型参数在SPICE

中的符号名称第38页/共69页GP模型是1970年由H．K．Gummel和H．C．Poon提出的。GP模型对EM2模型在以下几方面作了改进：

1.直流特性：反映了集电结上电压的变化引起有效基区宽度变化的基区宽度调制效应，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。

2.交流特性：考虑了正向渡越时间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。

3.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。

5.根据横向和纵向双极晶体管的不同，考虑了外延层电荷存储引起的准饱和效应。第39页/共69页

图6.13GP直流模型

第40页/共69页图6.14GP小信号模型

GP小信号模型与EM小信号模型十分一致，只是参数的值不同而已。第41页/共69页6.1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6.5MESFET模型6.6MOS管电流方程及SPICE模型6.7SPICE数模混合仿真程序的设计流程及方法（见CH06-2课件）第42页/共69页N沟JFET的结构示意图和电路符号第43页/共69页结型场效应JFET(NJF/PJF)

模型

JFET模型源于Shichman和Hodges给出的FET模型。其直流特性由反映漏极电流随栅极电压变化的参数VTO和BETA、确定输出电导的参数LAMBDA和栅-源结与栅-漏结饱和电流的参数IS共同描述。包含了RD和RS两个欧姆电阻。其电荷存储效应由随结电压的平方根变化的栅-源与栅-漏两个结的非线性耗尽层电容模拟，参数为CGS，CGD和PB。

第44页/共69页表6.3JFET的SPICE模型参数第45页/共69页6.1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6.5MESFET模型6.6MOS管电流方程及SPICE模型第46页/共69页MESFET模型源于Statz等给出的GaAs模型其直流特性由反映漏极电流随栅极电压变化的参数VTO、B和BETA，并由确定饱和电压的参数ALPHA和确定输出电导的参数LAMBDA共同描述，表达式为模型

包含了RD和RS两个欧姆电阻。其电荷存储效应由随结电压的平方根变化的栅-源与栅-漏两个结的非线性耗尽层电容模拟，参数为CGS，CGD和PB。第47页/共69页表6.4MESFET的SPICE模型参数第48页/共69页6.1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6.5MESFET模型6.6MOS管电流方程及SPICE模型第49页/共69页SPICE集成电路分析程序与MOSFET模型HSpice中常用的几种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 BSIM3V3

BSIM,3rd,Version3Level=50 PhilipsMOS9第50页/共69页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.非饱和区饱和区

KP=µ

Cox

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

沟道横向扩散长度第51页/共69页MOSFET一级模型(Level=1)(续)MOSFET的阈值电压Vto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的,表达式为:

VTO是Vbs=0时的阈值电压

Vbs是衬底到源区的偏压

为体效应阈值系数,它反映了Vto随衬-源偏置Vbs的变化,表达式为:第52页/共69页MOSFET一级模型(Level=1)(续)NSUB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=2

Fn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.VFB=

MS

QSS/COX第53页/共69页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,PHI

0.6VN沟道硅栅耗尽型MOSFET:VFB

-0.6

0.8V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.第54页/共69页MOSFET一级模型直流特性涉及的模型参数VTO VTO

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PHI 2

F

强反型使的表面势垒高度LAMBDA

沟道长度调制系数UO µo/µn

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NSUB NSUB

衬底(阱)掺杂浓度NSS NSS

表面态密度.第55页/共69页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.MOSFET一级模型直流特性涉及的模型参数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第56页/共69页上列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Iss=AS

JS+PS

JSSWIds=AD

JS+PD

JSSWIb=Ibs+Ibd第57页/共69页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。

第58页/共69页MOSFET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)的阈值电压半经验公式:

第59页/共69页MOSFET三级模型,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.第60页/共69页MOSFET49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.可用于模拟和数字电路模拟.

模型考虑了(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) 寄生电阻效应第61页/共69页

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)MOSFET49级模型(Level=49,BSIM3V3)第62页/共69页飞利浦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.第63页/共69页不同MOSFET模型应用场合Level1 简单MOSFET模型Level2 2

m器件模拟分析Level3 0.9

m器件数字分析BSIM1 0.8

m器件数字分析BSIM2 0.3

m器件模拟与数字分析BSIM3 0.5

m器件模拟分析与0.1

m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.第64页/共69页台积电公司某一批0.35

mCMOS工艺NMOS器件的Star-HSpice参数.MODELCMOSNMOS(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-7 NLX =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第65页/共69页台积电公司某一批0.35

mCMOS工艺NMOS器件的Star-HSpice参数(命名为CMOSN的NMOS模型库Spice文件)（续）+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