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文檔簡介

1、集成電路設(shè)計基礎(chǔ)上次課內(nèi)容第6章 集成無源器件及SPICE模型6.1 引言 6.2 薄層集成電阻器 6.3 有源電阻 6.4 集成電容器 6.5 電感 6.6 互連線 6.7 傳輸線第7章 晶體管的SPICE模型 7.1 引言 7.2 二極管及其SPICE模型 7.3 雙極型晶體管及其SPICE模型 7.4 MOS場效應(yīng)管及其SPICE模型 7.5 短溝道MOS場效應(yīng)管BSIM3模型 7.6 模型參數(shù)提取技術(shù) 7.1 引言上一章主要介紹無源元件R、L、C的模型。集成電路主要是由晶體管組成的,本章主要介紹晶體管等效電路模型。半導(dǎo)體器件模型半導(dǎo)體器件模型有:器件的物理模型器件的等效電路模型 半導(dǎo)體

2、器件物理模型半導(dǎo)體器件物理模型是從半導(dǎo)體基本方程出發(fā),對器件的參數(shù)做一定的近似假設(shè),而得到的有解析表達(dá)式的數(shù)學(xué)模型 。半導(dǎo)體器件等效電路模型半導(dǎo)體器件等效電路模型在特定的工作條件下,把器件的物理模型用一組理想元件代替,用這些理想元件的支路方程表示器件的物理模型。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。例如直流模型、交流小信號模型、交流大信號模型、瞬態(tài)模型等是各不相同的。 7.2 二極管及其SPICE模型二極管等效電路模型 端電壓V與結(jié)電壓VD的關(guān)系是: 其中 高頻下:勢壘電容Cj:擴(kuò)散電容Cd: 二極管在反向偏壓很大時會發(fā)生擊穿。專門設(shè)計在擊穿狀態(tài)下工作的二極管稱為齊納二極管。但二

3、極管的電流電壓方程沒有預(yù)示這種擊穿,實際電路設(shè)計中需借助SPICE等模擬工具來大致確定擊穿電壓值。參 數(shù) 名公式中符號SPICE中符號單 位SPICE中默認(rèn)值飽和電流ISISA1.0E-14發(fā)射系數(shù)nN-1串聯(lián)體電阻RSRS0渡越時間TTTSec0零偏勢壘電容Cj0CJ0F0梯度因子mM-0.5PN結(jié)內(nèi)建勢壘V0VJV1二極管模型參數(shù)對照表 器件的電子噪聲所謂電子噪聲是指電子線路中某些元器件產(chǎn)生隨機(jī)起伏的電信號。這些信號一般是與電子(或其它載流子)的電擾動相聯(lián)系的。一般包括:熱噪聲(白噪聲)和半導(dǎo)體噪聲。半導(dǎo)體噪聲包括散彈噪聲、分配噪聲、閃爍噪聲(1/f噪聲)和場效應(yīng)管噪聲。二極管的噪聲模型

4、熱噪聲 : 閃爍(1/f)噪聲和散粒噪聲 :KF和AF是噪聲系數(shù) 7.3 雙極型晶體管及其SPICE模型 雙極型晶體管模型: (1) Ebers-Moll(即EM)模型 Ebers和Moll于1954年提出 (2)Gummel-Poon(即GP)模型 Gummel和Poon 于1970年提出 EM電流方程 :EM直流模型 :晶體管KVL和KCL方程: 這四個獨立的方程描述了雙極型晶體管的特性 。 雖然NPN晶體管常被設(shè)想為在兩個N溝層之間夾著一個P型區(qū)的對稱型三層結(jié)構(gòu)。但與MOS器件不同的是:集電區(qū)與發(fā)射區(qū)這兩個電極不能互換。注意:改進(jìn)的EM模型 改進(jìn)的EM模型用了電荷控制觀點,模型中增加了電

5、容Cbe 、Cbc并進(jìn)一步考慮了集成電路中集電結(jié)對襯底的電容Cjs 。增加了發(fā)射極、基極和集電極串聯(lián)電阻,模型對晶體管直流特性的描述更精確,使飽和區(qū)及小信號下的直流特性更符合實際。電容及電阻引入也使交流和瞬態(tài)特性的表征更為完善 。EM小信號等效電路 gmF:正向區(qū)跨導(dǎo)r:輸入電阻r0:輸出電阻gmR:反向區(qū)跨導(dǎo)r:集電極-基極電阻C :基極-集電極電容CCS :集電極-襯底電容C:發(fā)-基極等效電容雙極型晶體管的GP模型 GP模型對EM2模型作了以下幾方面的改進(jìn) :(1)直流特性 反映了基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng),改善了輸出電導(dǎo)、電流增益和特征頻率。反映了共射極電流放大倍數(shù)隨電流和電壓的變化 。(2)交流

6、特性 考慮了正向渡越時間F隨集電極電流IC的變化,解決了在大注入條件下由于基區(qū)展寬效應(yīng)使特征頻率fT和IC成反比的特性 。(3)考慮了大注入效應(yīng),改善了高電平下的伏安特性 (4)考慮了模型參數(shù)和溫度的關(guān)系 (5)根據(jù)橫向和縱向雙極晶體管的不同,考慮了外延層電荷存儲引起的準(zhǔn)飽和效應(yīng) 。 GP直流模型 GP小信號模型 7.4 MOS場效應(yīng)晶體管及其SPICE模型 MOS管的結(jié)構(gòu)尺寸縮小到亞微米范圍后,多維的物理效應(yīng)和寄生效應(yīng)使得對MOS管的模型描述帶來了困難。模型越復(fù)雜,模型參數(shù)越多,其模擬的精度越高。但高精度與模擬的效率相矛盾。依據(jù)不同需要,常將MOS模型分成不同級別。SPICE2中提供了幾種M

7、OS場效應(yīng)管模型,并用變量LEVEL來指定所用的模型。LEVEL1 MOS1模型 Shichman-Hodges模型LEVEL2 MOS2模型 二維解析模型LEVEL3 MOS3模型 半經(jīng)驗短溝道模型LEVEL4 MOS4模型 BSIM(Berkeley short-channel IGFET model)模型MOS1模型 MOS1模型是MOS晶體管的一階模型,描述了MOS管電流-電壓的平方率特性,它考慮了襯底調(diào)制效應(yīng)和溝道長度調(diào)制效應(yīng)。適用于精度要求不高的長溝道MOS晶體管。(1)線性區(qū)(非飽和區(qū)) MOS1模型器件工作特性當(dāng)VGSVTH,VDSVTH,VDSVGSVTH,MOS管工作在飽和

8、區(qū)。電流方程為:(3)兩個襯底PN結(jié)兩個襯底結(jié)中的電流可用類似二極管的公式來模擬。 當(dāng)VBS0時 MOS1模型襯底PN結(jié)電流公式當(dāng)VBS0時 當(dāng)VBD0時 MOS2 模型 二階模型所使用的等效電路和一階模型相同 ,但模型計算中考慮了各種二階效應(yīng)對MOS器件漏電流及閾值電壓等特性的影響。這些二階效應(yīng)包括: (1)溝道長度對閾值電壓的影響;(2)漏柵靜電反饋效應(yīng)對閾值電壓的影響;(3)溝道寬度對閾值電壓的影響;(4)遷移率隨表面電場的變化;(5)溝道夾斷引起的溝道長度調(diào)制效應(yīng);(6)載流子漂移速度限制而引起的電流飽和效應(yīng);(7)弱反型導(dǎo)電。(1)短溝道對閾值電壓的影響 MOS器件二階效應(yīng) 溝道長度

9、L的減少,使襯底耗盡層的體電荷對閾值電壓貢獻(xiàn)減少。體電荷的影響是由體效應(yīng)閾值系數(shù)體現(xiàn)的,它的變化使V TH變化??紤]了短溝效應(yīng)后的體效應(yīng)系數(shù)S為: 可見,當(dāng)溝道長度L減小時閾值電壓降低,而溝道寬度W變窄時閾值電壓提高。MOS器件二階效應(yīng)(2)靜電反饋效應(yīng) 隨著VDS的增加,在漏區(qū)這一邊的耗盡層寬度會有所增加,這時漏區(qū)和源區(qū)的耗盡層寬度WD和WS分別為: 上式中, ,因此S修正為: 可見,由于VDS的增加而造成的WD增加,會使閾值電壓進(jìn)一步下降。 MOS器件二階效應(yīng)(3)窄溝道效應(yīng)實際的柵總有一部分要覆蓋在場氧化層上(溝道寬度以外),因此場氧化層下也會引起耗盡電荷。這部分電荷雖然很少,但當(dāng)溝道寬

10、度W很窄時,它在整個耗盡電荷中所占的比例將增大。與沒有“邊緣”效應(yīng)時的情況相比較,柵電壓要加得較大才能使溝道反型。這時V TH被修正為:MOS器件二階效應(yīng)(4)遷移率修正 在柵電壓增加時,表面遷移率率會有所下降,其經(jīng)驗公式為:式中, 0表面遷移率;Ecrit為柵-溝道的臨界電場強(qiáng)度;Etra是橫向電場系數(shù),它表示VDS對柵-溝道電場的影響;EEXP為遷移率下降的臨界指數(shù)系數(shù)。MOS器件二階效應(yīng)(5)溝道長度調(diào)制效應(yīng) 當(dāng)VDS增大時,MOS管的漏端溝道被夾斷并進(jìn)入飽和,VDS進(jìn)一步增大,該夾斷點向源區(qū)移動,從而使溝道的有效長度減小,這就是溝道長度調(diào)制效應(yīng) 。 在考慮了溝道長度調(diào)制效應(yīng)后,器件的有

11、效溝道長度為:式中: MOS器件二階效應(yīng)(6)載流子有限漂移速度引起的電流飽和 對于同樣的幾何尺寸比、同樣的工藝和偏置,短溝道器件比起長溝道器件來講飽和電流要小。 在MOS2模型中,引入了參數(shù)max表示載流子的最大漂移速率,于是有:MOS器件二階效應(yīng)(7)弱反型導(dǎo)電 MOSFET并不是一個理想的開關(guān),實際上當(dāng)VGSVTH時在表面處就有電子濃度,也就是當(dāng)表面不是強(qiáng)反型時就存在電流。這個電流稱為弱反型電流或次開啟電流。SPICE2中定義一個新的閾值電壓VON,它標(biāo)志著器件從弱反型進(jìn)入強(qiáng)反型。當(dāng)VGSVON時為弱反型,當(dāng)VGSVON時,為強(qiáng)反型。在弱反型導(dǎo)電時,漏源電流方程為: MOS3 模型 MO

12、S3模型是一個半經(jīng)驗?zāi)P?,適用于短溝道器件,對于溝長2m的器件所得模擬結(jié)果很精確。在MOS3中考慮的器 件二階效應(yīng)如下:(1)漏源電壓引起的表面勢壘降低而使閾值電壓下降的靜 電反饋效應(yīng);(2)短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)對閾值電壓的影響;(3)載流子極限漂移速度引起的溝道電流飽和效應(yīng);(4)表面電場對載流子遷移率的影響。 MOS3模型參數(shù)大多與MOS2相同,但其閾值電壓、飽和電流、溝道調(diào)制效應(yīng)和漏源電流表達(dá)式等都是半經(jīng)驗公式,并引入了新的模型參數(shù):(EAT)、(THETA)和(KAPPA)。下面分別討論MOS3半經(jīng)驗公式及這三個參數(shù)的意義:MOS3 模型 (1)閾值電壓的半經(jīng)驗公式式中,是模擬靜電反

13、饋效應(yīng)的經(jīng)驗?zāi)P蛥?shù), FS為短溝道效應(yīng)的校正因子。 MOS3 模型 (1)閾值電壓的半經(jīng)驗公式 在MOS3中采用改進(jìn)的梯形耗盡層模型,考慮了圓柱形電場分布的影響,如圖所示。圖中Wc為圓柱結(jié)耗盡層寬度,Wp為平面結(jié)耗盡層寬度 。MOS3 模型 (2)表面遷移率調(diào)制 表示遷移率和柵電場關(guān)系的經(jīng)驗公式為:式中經(jīng)驗?zāi)P蛥?shù)稱為遷移率調(diào)制系數(shù) 。MOS3 模型 (3)溝道長度調(diào)制減小量的半經(jīng)驗公式 當(dāng)VDS大于VDSAT時,載流子速度飽和點的位置逐漸移向源區(qū),造成溝道長度調(diào)制效應(yīng)。溝道長度的減小量L為: 上式中,EP為夾斷點處的橫向電場,為飽和電場系數(shù)。MOS電容模型 (1)PN結(jié)電容結(jié)電容由底部勢壘

14、電容和側(cè)壁勢壘電容兩部分組成: (2)柵電容MOS電容模型 柵電容CGB,CGS,CGD包括隨偏壓變化及不隨偏壓變化兩部分: CGBCGB1CGB2CGSCGS1CGS2CGDCGD1CGD2 其中不隨偏壓而變的部分是柵極與源區(qū)、漏區(qū)的交疊氧化層電容以及柵與襯底間的交疊氧化層電容(在場氧化層上),即:CGB2CGB0LCGS2CGS0WCGD2CGD0WMOS電容模型 (2)柵電容 隨偏壓而變的柵電容是柵氧化層電容與空間電荷區(qū)電容相串聯(lián)的部分。列出了不同工作區(qū)柵電容的變化如下:工作區(qū)CGB1CGS1CGD1截止區(qū)COXWLeff00非飽和區(qū)0COXWLeff/2COXWLeff/2飽和區(qū)0(2

15、/3)COXWLeff0不同工作區(qū)的柵電容 串聯(lián)電阻對MOS器件的影響 漏區(qū)和源區(qū)的串聯(lián)電阻會嚴(yán)重地影響MOS管的電學(xué)特性,串聯(lián)電阻的存在使加在漏源區(qū)的有效電壓會小于加在外部端口處的電壓。SPICE2等效電路中插入了兩個電阻rD和rS,它們的值可在模型語句:“MODEL ”中給定,也可通過MOSFET中的NRD和NRS來確定 。rDRshNRD rSRshNRS 式中,Rsh漏擴(kuò)散區(qū)和源擴(kuò)散區(qū)薄層電阻 ;NRD漏擴(kuò)散區(qū)等效的方塊數(shù);NRS源擴(kuò)散區(qū)等效的方塊數(shù)。7.5短溝道MOS場效應(yīng)管BSIM3模型 BSIM(Berkeley short-channel IGFET model)模型是專門為短

16、溝道MOS場效應(yīng)晶體管而開發(fā)的模型。在BSIM3模型中考慮了下列效應(yīng):(1)短溝和窄溝對閾值電壓的影響;(6)漏感應(yīng)引起位壘下降;(2)橫向和縱向的非均勻摻雜; (7)溝道長度調(diào)制效應(yīng);(3)垂直場引起的載流子遷移率下降(8)襯底電流引起的體效應(yīng),(4)體效應(yīng); (9)次開啟導(dǎo)電問題;(5)載流子速度飽和效應(yīng); (10)漏源寄生電阻。短溝道MOS場效應(yīng)管BSIM3模型 閾值電壓 (1)垂直方向非均勻摻雜 (2)橫向非均勻摻雜 (3)短溝道效應(yīng) (4)窄溝道效應(yīng) 短溝道MOS場效應(yīng)管BSIM3模型 遷移率 一個好的表面遷移率模型對于MOSFET模型的精度是致關(guān)重要的。一般講,遷移率與很多工藝參數(shù)

17、及偏置條件有關(guān)。BSIM3中所提供的遷移率公式是: 短溝道MOS場效應(yīng)管BSIM3模型 載流子漂移速度:載流子速度達(dá)到飽和時的臨界電場 :載流子飽和速度 ESAT 式中 :短溝道MOS場效應(yīng)管BSIM3模型 體電荷效應(yīng)式中,A0,Ags,B0,B1和Keta由實驗數(shù)據(jù)加以確定, A0溝道長度的體電荷效應(yīng)系數(shù); AgsAbulk的柵偏壓系數(shù); B0溝道寬度的體電荷效應(yīng)系數(shù); B1體電荷效應(yīng)中溝道寬度的偏離值; Keta體電荷效應(yīng)的襯底偏壓系數(shù)。短溝道MOS場效應(yīng)管BSIM3模型 強(qiáng)反型時的漏源電流(1)截止區(qū)(VGSVTH) IDS0 (2)線性工作區(qū)(VGSVTH,0 VDSVTH, VDS VDSAT) 短溝道MOS場效應(yīng)管BSIM3模型 強(qiáng)反型時的漏源電流短溝道MOS場效應(yīng)管BSIM3模型 弱反型時的漏源電流 BSIM模型認(rèn)為:總漏電流是強(qiáng)反型的漏電流與弱反型漏電流之和。即:IDSIDS1I

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