第5章集成電路元器件及其SPICE模型.

1、集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)與工具集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)與工具 第五章第五章 集成電路元器件及其集成電路元器件及其SPICE模型模型基本要求基本要求v掌握集成電阻、集成電容和集成電感等無源掌握集成電阻、集成電容和集成電感等無源器件的器件的SPICE模型，模型，v掌握二極管的電路模型和噪聲模型，掌握二極管的電路模型和噪聲模型，v掌握雙極型晶體管掌握雙極型晶體管EM模型和模型和GP模型，模型，v掌握掌握MOS場效應(yīng)晶體管的場效應(yīng)晶體管的MOS1模型和模型和BSIM模型，模型，v了解模型參數(shù)的提取方法和基本原理了解模型參數(shù)的提取方法和基本原理 內(nèi)容提要內(nèi)容提要v5.1 引言引言v5.2 集成無源元件及其集成無源元件及

2、其SPICE模型模型v5.3 二極管及其二極管及其SPICE模型模型v5.4 雙極型晶體管及其雙極型晶體管及其SPICE模型模型v5.5 MOS場效應(yīng)晶體管及其場效應(yīng)晶體管及其SPICE模型模型v5.6 模型參數(shù)提取技術(shù)模型參數(shù)提取技術(shù)v5.7 本章小結(jié)本章小結(jié)5.1 引引 言言v從電路的觀點(diǎn)來看，集成電路可以認(rèn)為是從電路的觀點(diǎn)來看，集成電路可以認(rèn)為是由由元器件元器件組成的。組成的。v所謂所謂元件（元件（Element）是電阻、電容和電感是電阻、電容和電感等結(jié)構(gòu)簡單，性能可用一個(gè)簡單方程描述的等結(jié)構(gòu)簡單，性能可用一個(gè)簡單方程描述的單元。而單元。而器件（器件（Device）是晶體管類結(jié)構(gòu)相是晶體

3、管類結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，性能要用多個(gè)方程才能描述的單元。對復(fù)雜，性能要用多個(gè)方程才能描述的單元。從某種意義上說，器件可以由多個(gè)元件構(gòu)成。從某種意義上說，器件可以由多個(gè)元件構(gòu)成。v器件器件可以由多個(gè)可以由多個(gè)元件元件構(gòu)成。構(gòu)成。 在設(shè)計(jì)電路的時(shí)候需要非常準(zhǔn)確地在設(shè)計(jì)電路的時(shí)候需要非常準(zhǔn)確地預(yù)測出電路的性能。為了做到這一點(diǎn)，預(yù)測出電路的性能。為了做到這一點(diǎn)，需要對電路盡可能地進(jìn)行精確的需要對電路盡可能地進(jìn)行精確的性能分性能分析（析（Analysis）。因?yàn)榧呻娐吩骷Ｒ驗(yàn)榧呻娐吩骷o法用實(shí)物構(gòu)建，必須首先建立無法用實(shí)物構(gòu)建，必須首先建立器件模器件模型型，然后對用這些元器件模型所設(shè)計(jì)的，然后對用這

4、些元器件模型所設(shè)計(jì)的集成電路進(jìn)行以分析計(jì)算為基礎(chǔ)的集成電路進(jìn)行以分析計(jì)算為基礎(chǔ)的電路電路仿真（仿真（Simulation）。 在集成電路的在集成電路的晶體管級仿真晶體管級仿真方面，方面，SPICE是主要的電路仿真程序，并已成為是主要的電路仿真程序，并已成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。因此，集成電路設(shè)計(jì)工程師，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。因此，集成電路設(shè)計(jì)工程師，特別是特別是模擬和數(shù)字混合信號集成電路設(shè)計(jì)模擬和數(shù)字混合信號集成電路設(shè)計(jì)工程師必須掌握工程師必須掌握SPICE的應(yīng)用。的應(yīng)用。 本章首先討論集成元器件的本章首先討論集成元器件的SPICE等等效電路模型效電路模型和和模型的主要參數(shù)模型的主要參數(shù)。5.2 集成無源器件及其集成

5、無源器件及其SPICE模型模型 v集成電路元器件集成電路元器件可以分為無源和有源兩類?？梢苑譃闊o源和有源兩類。無源元件無源元件包括電阻、電容、電感、互連線、傳包括電阻、電容、電感、互連線、傳輸線等，輸線等，有源器件有源器件就是各類晶體管。就是各類晶體管。v前面的章節(jié)已經(jīng)介紹了在集成電路設(shè)計(jì)中起前面的章節(jié)已經(jīng)介紹了在集成電路設(shè)計(jì)中起著決定性作用的有源器件的工作原理和制造工著決定性作用的有源器件的工作原理和制造工藝。事實(shí)上，利用這些工藝，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)大藝。事實(shí)上，利用這些工藝，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)大部分結(jié)構(gòu)的無源元器件。部分結(jié)構(gòu)的無源元器件。v下面將對下面將對電阻、電容和電感電阻、電容和電感等基本無源元器

6、等基本無源元器件的集成實(shí)現(xiàn)形式及其數(shù)學(xué)描述加以介紹。件的集成實(shí)現(xiàn)形式及其數(shù)學(xué)描述加以介紹。一、集成電阻一、集成電阻vSPICE程序中有專用的語句定義程序中有專用的語句定義電阻元件電阻元件R，其主要參數(shù)為：其主要參數(shù)為：電阻值電阻值R0和和電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)。高。高頻應(yīng)用時(shí)，電阻等效模型還需要考慮其頻應(yīng)用時(shí)，電阻等效模型還需要考慮其寄生電寄生電容容和和寄生電感值寄生電感值。v下面首先介紹集成電阻的制造方法，然后討下面首先介紹集成電阻的制造方法，然后討論其論其版圖幾何圖形設(shè)計(jì)版圖幾何圖形設(shè)計(jì)、阻值計(jì)算阻值計(jì)算、溫度系數(shù)溫度系數(shù)以及以及高頻等效電路模型高頻等效電路模型。v與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝技術(shù)

7、兼容的制造電阻的與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝技術(shù)兼容的制造電阻的方法很多，但方法很多，但阻值和精度阻值和精度不同。不同。v常見的集成電阻有：常見的集成電阻有：v 多晶硅電阻多晶硅電阻、摻雜半導(dǎo)體電阻摻雜半導(dǎo)體電阻、N阱阱（或（或P阱）電阻阱）電阻、和、和合金電阻合金電阻等。等。集成電阻的類型集成電阻的類型1）多晶硅電阻）多晶硅電阻v與與CMOS，BiCMOS等硅基集成電路的制造等硅基集成電路的制造工藝兼容。工藝兼容。v被厚道氧化物包圍，其阻值取決于摻雜濃度。被厚道氧化物包圍，其阻值取決于摻雜濃度。vMOS柵極的多晶硅：重?fù)诫s；柵極的多晶硅：重?fù)诫s；v多晶硅電阻：輕摻雜。多晶硅電阻：輕摻雜。v摻雜半導(dǎo)體具

8、有電阻特性，且不同的摻雜濃摻雜半導(dǎo)體具有電阻特性，且不同的摻雜濃度具有不同的電阻率。度具有不同的電阻率。v根據(jù)摻雜方式：根據(jù)摻雜方式：擴(kuò)散電阻擴(kuò)散電阻和和離子注入電阻離子注入電阻。v擴(kuò)散電阻是指對半導(dǎo)體進(jìn)行熱擴(kuò)散摻雜而形擴(kuò)散電阻是指對半導(dǎo)體進(jìn)行熱擴(kuò)散摻雜而形成的電阻：工藝簡單（優(yōu)點(diǎn)）；成的電阻：工藝簡單（優(yōu)點(diǎn)）；精度差精度差（缺（缺點(diǎn)）。點(diǎn)）。v離子注入電阻結(jié)構(gòu)與擴(kuò)散電阻類似，離子注入電阻結(jié)構(gòu)與擴(kuò)散電阻類似，精度高精度高。2）摻雜半導(dǎo)體電阻）摻雜半導(dǎo)體電阻引出端1引出端2+V金屬wLN+N-SiSiO2P擴(kuò)散電阻結(jié)構(gòu)示意圖集成電阻的類型集成電阻的類型3）阱電阻）阱電阻 阱電阻有阱電阻有N阱或阱

9、或P阱電阻兩種。阱電阻的阱電阻兩種。阱電阻的阻值大阻值大但精度差但精度差。4）合金電阻）合金電阻 常用的合金材料有：鉭（常用的合金材料有：鉭（Ta）、鎳鉻（）、鎳鉻（Ni-Cr）、）、氧化鋅（氧化鋅（SnO2）和鉻硅氧（）和鉻硅氧（CrSiO）。）。 具有具有較低的溫度系數(shù)和較大的電流承載能力較低的溫度系數(shù)和較大的電流承載能力，且且 精度較高精度較高。集成電阻的幾何圖形設(shè)計(jì)集成電阻的幾何圖形設(shè)計(jì) 1）幾何形狀）幾何形狀b 直線寬條電阻直線寬條電阻c 彎折窄條電阻彎折窄條電阻a 直線窄條電阻直線窄條電阻e 分段彎折寬條電阻分段彎折寬條電阻d 彎折寬條電阻彎折寬條電阻選擇電阻形狀的依據(jù)：選擇電阻形

10、狀的依據(jù)：v一般電阻采用窄條結(jié)構(gòu)，精度要求高的采用一般電阻采用窄條結(jié)構(gòu)，精度要求高的采用寬條結(jié)構(gòu)；寬條結(jié)構(gòu)；小電阻采用直條形，大電阻采用小電阻采用直條形，大電阻采用折線形折線形。v在光刻工藝加工過程中，由于過于細(xì)長的條在光刻工藝加工過程中，由于過于細(xì)長的條狀圖形容易引起變形，同時(shí)考慮到版圖布局狀圖形容易引起變形，同時(shí)考慮到版圖布局等因素，對于高阻值的電阻通常等因素，對于高阻值的電阻通常采用彎折形采用彎折形的幾何圖案結(jié)構(gòu)。的幾何圖案結(jié)構(gòu)。v由于在拐角處的電流密度不均勻?qū)a(chǎn)生誤差，由于在拐角處的電流密度不均勻?qū)a(chǎn)生誤差，所以，高精度電阻也常采用所以，高精度電阻也常采用長條電阻串聯(lián)長條電阻串聯(lián)的的形

11、式。形式。2）幾何尺寸設(shè)計(jì)）幾何尺寸設(shè)計(jì)在電阻的制作過程中，由加工引起的誤差，如在電阻的制作過程中，由加工引起的誤差，如制版和光刻過程中的圖形寬度誤差等，會使電制版和光刻過程中的圖形寬度誤差等，會使電阻的實(shí)際尺寸偏離設(shè)計(jì)尺寸，導(dǎo)致電阻值的誤阻的實(shí)際尺寸偏離設(shè)計(jì)尺寸，導(dǎo)致電阻值的誤差。差。電阻條圖形的寬度電阻條圖形的寬度w越寬，相對誤差越寬，相對誤差w/w就越小，反之則越大。就越小，反之則越大。與寬度相比，長度的相與寬度相比，長度的相對誤差對誤差l/l則可忽略。因此，則可忽略。因此，對于有精度要求對于有精度要求的電阻，其寬度選擇不僅要考慮能夠承受的電的電阻，其寬度選擇不僅要考慮能夠承受的電流外，

12、還要考慮精度要求流外，還要考慮精度要求。集成電阻的阻值計(jì)算集成電阻的阻值計(jì)算 為了便于計(jì)算集成電阻的阻值，人們引入為了便于計(jì)算集成電阻的阻值，人們引入了了方塊電阻方塊電阻的概念。的概念。 電流方向lwh圖圖5.3 方塊電阻的幾何圖形方塊電阻的幾何圖形hwlRhRRwl1口wlRR口表表5.1 0.51.0 m MOS工藝中工藝中導(dǎo)電層材料的典型方塊電阻值導(dǎo)電層材料的典型方塊電阻值 （單位（單位:/口）口）材材 料料最小值最小值典型值典型值最大值最大值互連金屬互連金屬0.050.070.1頂層金屬頂層金屬0.030.040.05多晶硅多晶硅152030硅硅-金屬氧化物金屬氧化物236擴(kuò)散層擴(kuò)散層

13、1025100硅氧化物擴(kuò)散硅氧化物擴(kuò)散2410N阱（或阱（或P阱）阱）1k2k5k不同電阻條寬和端頭形狀的不同電阻條寬和端頭形狀的端頭修正因子端頭修正因子 電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù) 電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)TC是指溫度每升高是指溫度每升高1時(shí)，阻時(shí)，阻值相對變化量。值相對變化量。 TRRTCdd12nomnomtnom211）（ttTCttTCRR 在在SPICE程序中，考慮溫度系數(shù)時(shí)，電阻的程序中，考慮溫度系數(shù)時(shí)，電阻的計(jì)算公式修正為計(jì)算公式修正為集成電阻的集成電阻的高頻雙端口等效電路高頻雙端口等效電路C2CpRLC1 L為電阻引線與電阻條的電感，Cp為反映兩電極之間電場耦合的電容，C1和C

14、2為兩電極對地電容。P-subN型外延層N+PnSabbanSRbanSRCsubCb2Cb2（a）物理結(jié)構(gòu)剖面圖）物理結(jié)構(gòu)剖面圖 （b）等效的器件級模型）等效的器件級模型 （c）等效的集總參數(shù)模型）等效的集總參數(shù)模型 圖圖5.6 基區(qū)電阻等效模型基區(qū)電阻等效模型有源電阻有源電阻 除了薄層集成電阻外，工作在特定偏置條件除了薄層集成電阻外，工作在特定偏置條件下并作適當(dāng)連接的晶體管表現(xiàn)出電阻特性，可下并作適當(dāng)連接的晶體管表現(xiàn)出電阻特性，可用作電路中的電阻元件，并稱之為用作電路中的電阻元件，并稱之為有源電阻有源電阻 。DVSGIIDSVTNVVGSIO+-IDSVTPVVGSIODSG+-IV增強(qiáng)型

15、增強(qiáng)型NMOS作有源電阻作有源電阻 增強(qiáng)型增強(qiáng)型PMOS作有源電阻作有源電阻DSVBIDSVVGSIOoRonrdsVTNVDSG 柵極加偏置的柵極加偏置的NMOS有源電阻及其電流有源電阻及其電流-電壓曲線電壓曲線 直流電阻vs.交流電阻DSVBGDSGDSGDSVBGGDS幾種幾種MOS有源電阻的連接形式有源電阻的連接形式 二、集成電容器二、集成電容器 在集成電路中，有多種電容結(jié)構(gòu)：在集成電路中，有多種電容結(jié)構(gòu)：1）金屬金屬-絕緣體絕緣體-金屬（金屬（MIM）結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)；2）多晶硅多晶硅/金屬金屬-絕緣體絕緣體-多晶硅多晶硅結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)；3）金屬叉指結(jié)構(gòu)金屬叉指結(jié)構(gòu)4）PN結(jié)電容結(jié)電容；5）M

16、OS電容電容。 這些結(jié)構(gòu)的電容可以是有意設(shè)計(jì)的電容這些結(jié)構(gòu)的電容可以是有意設(shè)計(jì)的電容元件，也可能是不可避免的寄生電容。元件，也可能是不可避免的寄生電容。 平板電容平板電容 vSPICE程序中定義的電容元件程序中定義的電容元件C是以是以平板電平板電容容為標(biāo)準(zhǔn)的，主要參數(shù)為：為標(biāo)準(zhǔn)的，主要參數(shù)為：電容值電容值C0、電容電容溫度系數(shù)溫度系數(shù)與與高頻寄生參數(shù)高頻寄生參數(shù)。v集成電路中可以采用多種材料結(jié)構(gòu)的平板電集成電路中可以采用多種材料結(jié)構(gòu)的平板電容。最標(biāo)準(zhǔn)的是容。最標(biāo)準(zhǔn)的是金屬金屬-絕緣體絕緣體-金屬（金屬（MIM）結(jié)結(jié)構(gòu)，其他包括構(gòu)，其他包括金屬金屬-絕緣體絕緣體-多晶硅多晶硅結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)和金金屬屬

17、-絕緣體絕緣體-重?fù)诫s半導(dǎo)體重?fù)诫s半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)等。結(jié)構(gòu)等。 制作在砷化鎵半絕緣襯底上的制作在砷化鎵半絕緣襯底上的MIM電容結(jié)構(gòu)電容結(jié)構(gòu) dlwCor平板電容計(jì)算公式：平板電容計(jì)算公式：單位面積電容單位面積電容的定義：的定義： dCoxorSPICE程序中，考慮溫度系數(shù)時(shí)的電容計(jì)算式：程序中，考慮溫度系數(shù)時(shí)的電容計(jì)算式：2nomnom211ttTCttTCACCox大多數(shù)硅氮氧化物的相對介質(zhì)常數(shù)在3.56.5之間。MIM結(jié)構(gòu)的單位面積電容值通常為pF或fF數(shù)量級。C2CRLC1G電容高頻等效模型電容高頻等效模型 對于MIM電容，它的下極板寄生電容值為主電容值的1/10；而對于多晶硅-擴(kuò)散電容，其下

18、極板寄生電容和主電容為同一數(shù)量級。 任何電容僅在低于f0的頻率上才會起電容作用。經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則是讓電容工作在f0/3以下。金屬叉指結(jié)構(gòu)電容金屬叉指結(jié)構(gòu)電容 優(yōu)點(diǎn)：不需要額外的工藝。特征尺寸急劇降低，金屬線條的寬度和厚度之比大大減小，叉指的側(cè)面電容占主導(dǎo)地位。PN結(jié)電容結(jié)電容 v利用利用PN結(jié)電容的優(yōu)點(diǎn)也是不需要額外的工藝，但所結(jié)電容的優(yōu)點(diǎn)也是不需要額外的工藝，但所實(shí)現(xiàn)的電容有一個(gè)實(shí)現(xiàn)的電容有一個(gè)極性問題極性問題。v所有的所有的PN結(jié)電容都是非線性的，電容值是兩端電壓結(jié)電容都是非線性的，電容值是兩端電壓的函數(shù)。的函數(shù)。v在大信號線性放大器中，在大信號線性放大器中，PN結(jié)電容的非線性會引起結(jié)電容的非線性

19、會引起電路的電路的非線性失真非線性失真。v任何任何PN結(jié)都有漏電流和從結(jié)面到金屬連線的體電阻，結(jié)都有漏電流和從結(jié)面到金屬連線的體電阻，因而，因而，結(jié)電容的品質(zhì)因數(shù)通常比較低結(jié)電容的品質(zhì)因數(shù)通常比較低。v結(jié)電容的參數(shù)可以采用二極管和晶體管結(jié)電容同樣結(jié)電容的參數(shù)可以采用二極管和晶體管結(jié)電容同樣的方法進(jìn)行計(jì)算，的方法進(jìn)行計(jì)算，其其SPICE模型直接運(yùn)用相關(guān)二極模型直接運(yùn)用相關(guān)二極管或三極管器件的模型管或三極管器件的模型。 MOS結(jié)構(gòu)電容結(jié)構(gòu)電容 MOS結(jié)構(gòu)電容的結(jié)構(gòu)電容的SPICE模型就直接運(yùn)用模型就直接運(yùn)用MOS器件的模型器件的模型。與平板電容和。與平板電容和PN結(jié)電容都結(jié)電容都不相同的是，不相同

20、的是，MOS核心部分，即金屬核心部分，即金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)的電容具有獨(dú)特的性質(zhì)，半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)的電容具有獨(dú)特的性質(zhì)，其柵極其柵極與襯底之間的電容與襯底之間的電容Cgb與柵極電壓與柵極電壓Vgb之間的之間的關(guān)系取決于半導(dǎo)體表面的狀態(tài)關(guān)系取決于半導(dǎo)體表面的狀態(tài)。隨著柵極電壓。隨著柵極電壓的變化，表面可處于的變化，表面可處于v積累區(qū)積累區(qū)v耗盡區(qū)耗盡區(qū)v反型區(qū)反型區(qū)溝道溝道耗盡層P型襯底 + + + + + + GGCoCdeptoxdVssVss1.00.2耗盡區(qū)積累區(qū)反型區(qū)VgsCgbCo0（a）物理結(jié)構(gòu)）物理結(jié)構(gòu) （b）電容與）電容與Vgs的函數(shù)關(guān)系的函數(shù)關(guān)系 三、集成電感三、集成

21、電感 在集成電路開始出現(xiàn)以后很長一段時(shí)間內(nèi)，在集成電路開始出現(xiàn)以后很長一段時(shí)間內(nèi)，人們一直認(rèn)為電感是不能集成在芯片上的。因人們一直認(rèn)為電感是不能集成在芯片上的。因?yàn)槟菚r(shí)集成電路工作的最高頻率在兆赫量級，為那時(shí)集成電路工作的最高頻率在兆赫量級，芯片上金屬線的電感效應(yīng)非常小。現(xiàn)在的情況芯片上金屬線的電感效應(yīng)非常小?，F(xiàn)在的情況就不同了，首先，近二十年來集成電路的速度就不同了，首先，近二十年來集成電路的速度越來越高，射頻集成電路（越來越高，射頻集成電路（RFIC）已經(jīng)有了很）已經(jīng)有了很大的發(fā)展，大的發(fā)展，芯片上金屬結(jié)構(gòu)的電感效應(yīng)變得越芯片上金屬結(jié)構(gòu)的電感效應(yīng)變得越來越明顯來越明顯。芯片電感的實(shí)現(xiàn)成為可

22、能。芯片電感的實(shí)現(xiàn)成為可能。 單匝線圈電感版圖單匝線圈電感版圖 ）（pH2)/8ln(26. 1waaLa，w 取微米單位取微米單位集總電感集總電感多匝線圈的實(shí)物照片多匝線圈的實(shí)物照片 GaAs和InP等半絕緣體上的電感的高頻模型與集成電阻的模型類似。傳輸線電感傳輸線電感v獲得獲得單端口單端口電感的另一種方法是使用長度電感的另一種方法是使用長度ll/4波長的短電傳輸線波長的短電傳輸線(微帶或共面波導(dǎo)微帶或共面波導(dǎo))或或使用長度在使用長度在l/4 l l/2范圍內(nèi)的開路傳輸線。范圍內(nèi)的開路傳輸線。 ltgjZlZ0)(0000/42 2 tanh tan 2 /lZZLllZl cn 0ZjZ

23、ctg l Z0特征阻抗特征阻抗c0光速光速 傳播相位傳播相位 工作頻率工作頻率當(dāng)當(dāng)l l/4時(shí)，時(shí)， l=l當(dāng)當(dāng)l/4l 0時(shí)時(shí) 當(dāng)當(dāng)VBS0時(shí)時(shí) BDSDBDVkTqII當(dāng)當(dāng)VBD0時(shí)時(shí) 3）PN結(jié)電容結(jié)電容 兩個(gè)兩個(gè)PN結(jié)電容結(jié)電容CBS和和CBD由底部勢壘電容和由底部勢壘電容和側(cè)壁勢壘電容兩部分組成。側(cè)壁勢壘電容兩部分組成。 SWj0BSSjsw00BS0 jBS11mmSVVPCVVACCSWj0BDDjsw00BDDj0BD11mmVVPCVVACC4）柵電容）柵電容 三個(gè)三個(gè)非線性柵電容非線性柵電容CGB，CGS，CGD由隨由隨偏壓偏壓變化變化和不和不隨偏壓變化隨偏壓變化的兩部分

24、構(gòu)成。的兩部分構(gòu)成。 其中其中不隨偏壓變化的部分不隨偏壓變化的部分是是柵極與源區(qū)、漏柵極與源區(qū)、漏區(qū)的交疊氧化層電容區(qū)的交疊氧化層電容以及以及柵與襯底間的交疊氧柵與襯底間的交疊氧化層電容（在場氧化層上化層電容（在場氧化層上） 。 隨偏壓而變的柵電容是隨偏壓而變的柵電容是柵氧化層電容與空間柵氧化層電容與空間電荷區(qū)電容相串聯(lián)電荷區(qū)電容相串聯(lián)的部分。的部分。 不同工作區(qū)的柵電容不同工作區(qū)的柵電容 5）串聯(lián)電阻的影響）串聯(lián)電阻的影響 漏區(qū)和源區(qū)串聯(lián)電阻的存在漏區(qū)和源區(qū)串聯(lián)電阻的存在使加在漏源區(qū)的使加在漏源區(qū)的有效電壓會小于加在外部端口處的電壓有效電壓會小于加在外部端口處的電壓，會影，會影響響MOS管的

25、電學(xué)特性。管的電學(xué)特性。MOS1模型中引入了電模型中引入了電阻阻rD和和rS分別表示漏區(qū)和源區(qū)的串聯(lián)電阻，其分別表示漏區(qū)和源區(qū)的串聯(lián)電阻，其值可以在模型語句值可以在模型語句.MODEL中給定，也可通過中給定，也可通過MOS管的管的NRD和和NRS來確定來確定 。v目前絕大多數(shù)目前絕大多數(shù)IC foundry都采用都采用BSIM模型來描述其模型來描述其加工的器件的性能。加工的器件的性能。BSIM模型一般通過自動(dòng)化的模型一般通過自動(dòng)化的參數(shù)提取和模型生成軟件來完成的，參數(shù)提取和模型生成軟件來完成的，v其中，其中，BSIM1 SPICE模型適用于溝道長度模型適用于溝道長度小于小于1um的的MOS晶體

26、管，對于溝道長度更短的晶體管，對于溝道長度更短的MOS管則需管則需要使用要使用BSIM2或或BSIM3模型。模型。v從建模機(jī)理上來講，從建模機(jī)理上來講，BSIM1和和BSIM2集中于解決集中于解決模模型的精度并考慮公式的簡單化型的精度并考慮公式的簡單化，因而引入了大量的，因而引入了大量的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)或擬合參數(shù)以提高精度。實(shí)際使用上由于經(jīng)驗(yàn)參數(shù)或擬合參數(shù)以提高精度。實(shí)際使用上由于模型參數(shù)過多且存在冗余模型參數(shù)過多且存在冗余，因此用起來比較麻煩。，因此用起來比較麻煩。三、短溝道三、短溝道MOS管的管的BSIM SPICE模型模型 BSIM3是基于準(zhǔn)二維分析的物理模型是基于準(zhǔn)二維分析的物理模型，著重探討

27、和，著重探討和解決涉及器件工作的物理機(jī)制，并考慮了器件尺寸和解決涉及器件工作的物理機(jī)制，并考慮了器件尺寸和工藝參數(shù)的影響，力求使每個(gè)模型參數(shù)與器件特性的工藝參數(shù)的影響，力求使每個(gè)模型參數(shù)與器件特性的關(guān)系可以預(yù)測。關(guān)系可以預(yù)測。BSIM3大約有大約有120個(gè)參數(shù)個(gè)參數(shù)，每一個(gè)都，每一個(gè)都有其物理意義。在整個(gè)工作區(qū)域內(nèi)，漏電流及其一階有其物理意義。在整個(gè)工作區(qū)域內(nèi)，漏電流及其一階導(dǎo)數(shù)都是連續(xù)的，這對解決電路仿真中的收斂問題很導(dǎo)數(shù)都是連續(xù)的，這對解決電路仿真中的收斂問題很有幫助。在有幫助。在Hspice或或SmartSpice仿真軟件中，仿真軟件中，BSIM3模型的模型的V3.1版本對應(yīng)于版本對應(yīng)于

28、Level 49，模型中考慮，模型中考慮的主要效應(yīng)包括以下幾個(gè)方面。的主要效應(yīng)包括以下幾個(gè)方面。（1）短溝和窄溝對閾值電壓的影響短溝和窄溝對閾值電壓的影響；（2）橫向和縱向的非均勻摻雜；）橫向和縱向的非均勻摻雜；（3）垂直場引起的載流子遷移率下降垂直場引起的載流子遷移率下降（4）體效應(yīng)；）體效應(yīng)；（5）載流子速度飽和效應(yīng)載流子速度飽和效應(yīng)；（6）漏感應(yīng)引起位壘下降；）漏感應(yīng)引起位壘下降；（7）溝道長度調(diào)制效應(yīng)溝道長度調(diào)制效應(yīng)；（8）襯底電流引起的體效應(yīng)，）襯底電流引起的體效應(yīng)，（9）次開啟導(dǎo)電問題；）次開啟導(dǎo)電問題；（10）漏源寄生電阻。）漏源寄生電阻。 MOSFET49級模型級模型(Leve

29、l=49, BSIM3V3) 共有共有166(174)個(gè)參數(shù)個(gè)參數(shù)!67個(gè)個(gè)DC 參數(shù)參數(shù)13個(gè)個(gè)AC 和電容參數(shù)和電容參數(shù)2個(gè)個(gè)NQS模型參數(shù)模型參數(shù)10個(gè)溫度參數(shù)個(gè)溫度參數(shù)11個(gè)個(gè)W和和L參數(shù)參數(shù)4個(gè)邊界參數(shù)個(gè)邊界參數(shù)4個(gè)工藝參數(shù)個(gè)工藝參數(shù)8個(gè)噪聲模型參數(shù)個(gè)噪聲模型參數(shù)47二極管二極管, 耗盡層電容和電阻參數(shù)耗盡層電容和電阻參數(shù)8個(gè)平滑函數(shù)參數(shù)個(gè)平滑函數(shù)參數(shù)(在在3.0版本中版本中)74飛利浦飛利浦MOSFET模型模型(Level=50)v共有共有72個(gè)模型參數(shù)個(gè)模型參數(shù).v最適合于對模擬電路進(jìn)行模擬最適合于對模擬電路進(jìn)行模擬.不同不同MOSFET模型應(yīng)用場合模型應(yīng)用場合Level 1簡單

30、簡單MOSFET模型模型Level 22 m 器件模擬分析器件模擬分析Level 30.9 m 器件數(shù)字分析器件數(shù)字分析BSIM 10.8 m 器件數(shù)字分析器件數(shù)字分析BSIM 20.3 m 器件模擬與數(shù)字分析器件模擬與數(shù)字分析BSIM 30.5 m 器件模擬分析與器件模擬分析與0.1 m 器件數(shù)字分析器件數(shù)字分析Level=6 亞微米離子注入器件亞微米離子注入器件Level=50小尺寸器件模擬電路分析小尺寸器件模擬電路分析 Level=11SOI器件器件對電路設(shè)計(jì)工程師來說對電路設(shè)計(jì)工程師來說, 采用什么模型參數(shù)在很大程度上采用什么模型參數(shù)在很大程度上還取決于能從相應(yīng)的工藝制造單位得到何種模

31、型參數(shù)還取決于能從相應(yīng)的工藝制造單位得到何種模型參數(shù).例例.MODEL CMOSN NMOS ( LEVEL= 49+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

32、= 5.339423E-10UB= 1.548022E-18+UC= 5.795283E-11VSAT= 1.191395E5A0= 0.8842702+AGS= 0.1613116B0= 1.77474E-6B1= 5E-6+KETA= 5.806511E-3A1= 0A2= 1臺積電公司某一批臺積電公司某一批0.35 m CMOS工藝工藝NMOS器件的器件的Star-HSpice參數(shù)參數(shù)(命名為命名為CMOSN的的NMOS模型庫模型庫Spice文件文件)78+RDSW= 1.88264E3PRWG= -0.105799PRWB= -0.0152046+WR= 1WINT= 7.381398

33、E-8LINT= 1.030561E-8+XL= -2E-8XW= 0DWG= -1.493222E-8+DWB= 9.792339E-9VOFF= -0.0951708NFACTOR= 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-3 PDIBLCB = -4.18062E-4DROUT= 0.5527689+PSCBE1= 4.86

34、3898E8PSCBE2= 1.70429E-5PVAG= 1.0433116+DELTA= 0.01MOBMOD= 1PRT= 0+UTE= -1.5KT1= -0.11KT1L= 0+KT2= 0.022UA1= 4.31E-9UB1= -7.61E-18例例(續(xù)續(xù)1)79+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= 9.3

35、84895E-4+PB= 0.7644361MJ= 0.3394296CJSW= 2.885151E-10+PBSW= 0.8683237MJSW= 0.1808065PVTH0= -0.0101318+PRDSW= -159.9288563PK2= -9.424037E-4WKETA= 4.696914E-3+LKETA= -6.965933E-3PAGS= 0.0718NQSMOD = 1+ELM= 5)*END CMOSN例例(續(xù)續(xù))5.6 模型參數(shù)提取技術(shù)模型參數(shù)提取技術(shù) 實(shí)際電路分析中用到的一般都是實(shí)際電路分析中用到的一般都是元件的元件的等效電路模型等效電路模型。由于集成電路元件主要

36、是。由于集成電路元件主要是由半導(dǎo)體器件組成的，因此，這些等效電由半導(dǎo)體器件組成的，因此，這些等效電路模型又都是以路模型又都是以物理模型物理模型為基礎(chǔ)的。為基礎(chǔ)的。 1）物理模型）物理模型 半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體器件的物理模型物理模型是從半導(dǎo)體的基本是從半導(dǎo)體的基本方程出發(fā)，并對器件的參數(shù)做一定的近似假設(shè)方程出發(fā)，并對器件的參數(shù)做一定的近似假設(shè)而得到的而得到的有解析表達(dá)式的數(shù)學(xué)模型有解析表達(dá)式的數(shù)學(xué)模型。一般說來，。一般說來，隨著集成電路集成度的提高，器件的結(jié)構(gòu)、尺隨著集成電路集成度的提高，器件的結(jié)構(gòu)、尺寸都在發(fā)生變化，器件的物理模型就越加復(fù)雜。寸都在發(fā)生變化，器件的物理模型就越加復(fù)雜。在物理模型中

37、經(jīng)常包含有一些經(jīng)驗(yàn)因子，目的在物理模型中經(jīng)常包含有一些經(jīng)驗(yàn)因子，目的是為了使模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得更好。一般說，是為了使模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得更好。一般說，模型中考慮的因素越多，與實(shí)際結(jié)果就符合得模型中考慮的因素越多，與實(shí)際結(jié)果就符合得越好，但模型也就越復(fù)雜越好，但模型也就越復(fù)雜，在電路模擬中耗費(fèi)，在電路模擬中耗費(fèi)的計(jì)算工作量就越大。的計(jì)算工作量就越大。2）等效電路模型）等效電路模型 半導(dǎo)體器件的等效電路模型半導(dǎo)體器件的等效電路模型是在特定的工是在特定的工作條件下，作條件下，把器件的物理模型用一組理想元件把器件的物理模型用一組理想元件代替代替，用這些理想元件的支路方程表示器件的，用這些理想元件的支路方程表示器件的物理模型。一般說，物理模型。一般說，同一個(gè)半導(dǎo)體器件在不同同一個(gè)半導(dǎo)體器件在不同的工作條件下，將有不同的等效電路模型的工作條件下，將有不同的等效電路模型。例。例如一個(gè)器件的直流模型、交流小信號模型、交如一個(gè)器件的直流模型、交流小信號模型、交流大信號模型以及瞬態(tài)模型等是各不相同的。流大信號模型以及瞬態(tài)模型等是各不相同的。 電路仿真的精度電路仿真的精度不僅與不僅與模型本身模型本身有關(guān)，還與有關(guān)，還與給定的模型參