集成電路器件模型

集成電路器件模型第1頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四第三章集成電路器件模型41235二極管模型雙極型晶體管模型MOS晶體管模型JFET模型、MESFET模型無源器件模型6噪聲模型2第2頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四器件模型電路中的有源器件用模型描述該器件的特性。器件模型是根據(jù)器件的端電壓和端電流的關(guān)系，利用數(shù)學(xué)方程、等效電路以及工藝數(shù)據(jù)擬合等方法來描述器件的功能和性能，是集成電路設(shè)計(jì)中對(duì)器件功能和性能進(jìn)行模擬驗(yàn)證的重要依據(jù)。電路模擬結(jié)果是否符合實(shí)際情況，主要取決于器件模型是否正確，特別是采用的模型參數(shù)是否真正代表實(shí)際器件的特性。不同的電路模擬軟件中采用的模型不完全相同，模型參數(shù)的名稱和個(gè)數(shù)也不盡相同。3第3頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四器件模型越精確，電路模擬效果越好，但是計(jì)算量也越大，因此應(yīng)折衷考慮。對(duì)同一種器件，往往提出幾種模型。學(xué)習(xí)中應(yīng)該掌握模型參數(shù)的含義，特別應(yīng)注意每個(gè)模型參數(shù)的作用特點(diǎn)，即在不同的電路特性分析中必需考慮哪些模型參數(shù)。每個(gè)模型參數(shù)均有內(nèi)定值。除了描述基本直流模型的幾個(gè)參數(shù)外，其他模型參數(shù)如果采用內(nèi)定值，相當(dāng)于不考慮相應(yīng)的效應(yīng)。如果采用模擬軟件附帶的模型參數(shù)庫，當(dāng)然不存在任何問題。如果采用模型參數(shù)庫中未包括的器件，如何比較精確地確定該器件的模型參數(shù)將是影響電路模擬結(jié)果的關(guān)鍵問題。4第4頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四一、二極管模型集成電路和半導(dǎo)體器件的各類特性都是PN結(jié)相互作用的結(jié)果，它是微電子器件的基礎(chǔ)。通過某種方法使半導(dǎo)體中一部分區(qū)域?yàn)镻型，另一部分區(qū)域?yàn)镹型，則在其交界面就形成了PN結(jié)。以PN結(jié)構(gòu)成的二極管最基本的電學(xué)行為是具有單向?qū)щ娦浴?第5頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四Cj和Cd分別代表PN結(jié)的勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容。

RS代表從外電極到結(jié)的路徑上通常是半導(dǎo)體材料的電阻，稱之為體電阻。二極管等效電路模型6第6頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四二極管模型參數(shù)參數(shù)名符號(hào)Spice名單位缺省值飽和電流ISISA1.0×10-14發(fā)射系數(shù)nN-1串聯(lián)體電阻RSRS0渡越時(shí)間DTTs0零偏勢(shì)壘電容Cj0CJ0F0梯度因子mM-0.5PN結(jié)內(nèi)建勢(shì)壘V0VJV17第7頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四二、雙極晶體管模型SPICE中的雙極型晶體管常用兩種物理模型，兩種模型參數(shù)能較好地反映物理本質(zhì)且易于測(cè)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頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四雙極型晶體管EM模型9第9頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四EM模型將電流增益作為頻率的函數(shù)來處理，對(duì)計(jì)算晶體管存貯效應(yīng)和瞬態(tài)特性不方便。改進(jìn)的EM模型采用電荷控制觀點(diǎn)，增加電容到模型中。進(jìn)一步考慮到發(fā)射極、基極和集電極串聯(lián)電阻，以及集成電路中集電結(jié)對(duì)襯底的電容，于是得到EM2模型。NPNEM直流模型10第10頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四EM2模型EM大信號(hào)模型11第11頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四EM小信號(hào)等效電路基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)參數(shù)歐拉電壓12第12頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四雙極型體管GP模型13第13頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四與EM模型相比，GP模型增加以下幾個(gè)物理效應(yīng)：小電流時(shí)β值下降大注入效應(yīng)，改善了高電平下的伏安特性基區(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)β隨電流和電壓的變化發(fā)射系數(shù)的影響基極電阻隨電流變化正向渡越時(shí)間τF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。模型參數(shù)和溫度的關(guān)系。根據(jù)橫向和縱向雙極晶體管的不同，外延層電荷存儲(chǔ)引起的準(zhǔn)飽和效應(yīng)。雙極型晶體管GP模型14第14頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四GP直流模型15第15頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四GP大信號(hào)模型GP大信號(hào)模型與EM大信號(hào)模型類似，引入修正內(nèi)容：集電結(jié)電容分布特性：劃分為兩個(gè)電容渡越時(shí)間隨偏置的變化：大電流時(shí)τF不再是常數(shù)基區(qū)中的分布現(xiàn)象16第16頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四GP小信號(hào)模型與EM小信號(hào)模型十分一致，只是參數(shù)的值不同。GP小信號(hào)模型17第17頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四雙極型晶體管SPICE模型參數(shù)參數(shù)名公式中符號(hào)SPICE中符號(hào)單位SPICE默認(rèn)值飽和電流ISISA10－16理想最大正向電流增益αFBF－100理想最大反向電流增益αRBR－1正向厄利（歐拉）電壓VAFVAFV∞反向厄利（歐拉）電壓VARVARV∞基極-發(fā)射極結(jié)梯度因子mEMJE－0.33基極-集電極結(jié)梯度因子mCMJC－0.33襯底結(jié)指數(shù)因子msMJS－0.0基極-發(fā)射極內(nèi)建電勢(shì)VE0VJEV0.75基極-集電極內(nèi)建電勢(shì)VC0VJCV0.75襯底結(jié)內(nèi)建電勢(shì)VS0VJSV0.7518第18頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四三、MOSFET模型常用的幾種MOSFET模型Level=1 Shichman-HodgesLevel=2 基于幾何圖形的分析模型

Grove-FrohmanModel(SPICE2G)Level=3 半經(jīng)驗(yàn)短溝道模型(SPICE2G)Level=49

BSIM3V3BSIM,3rd,Version3Level=50

PhilipsMOS919第19頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四MOSFET一級(jí)模型又稱MOS1模型，這是最簡單的模型，適用于手工計(jì)算。當(dāng)MOS器件的柵長和柵寬大于10μm、襯底摻雜低，而我們又需要一個(gè)簡單的模型時(shí)，那么由Shichman和Hodges提出的MOS1模型是適合的。20第20頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四MOSFET一級(jí)模型(Level=1)MOS1模型包括了漏區(qū)和源區(qū)的串聯(lián)電阻rD和rS，兩個(gè)襯底PN結(jié)和結(jié)電容CBS、CBD，反映電荷存儲(chǔ)效應(yīng)的三個(gè)非線性電容CGB、CGS和CGD以及受控電流源IDS。21第21頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四MOSFET一級(jí)模型(Level=1)描述I和V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):KP=μCox本征跨導(dǎo)參數(shù)Cox=ox/Tox單位面積的柵氧化層電容LO有效溝道長度,L版圖柵長,LD溝道橫向擴(kuò)散長度非飽和區(qū)飽和區(qū)MOSFET電流方程模型22第22頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四MOSFET一級(jí)模型(Level=1)（續(xù)）MOSFET的閾值電壓Vth本質(zhì)上由柵級(jí)上的電荷,絕緣層中的電荷和溝道區(qū)電荷之間的平衡決定VTO：Vbs=0時(shí)的閾值電壓Vbs：襯底到源區(qū)的偏壓：體效應(yīng)閾值系數(shù)，反映了Vth隨襯-源偏置Vbs的變化。23第23頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四VFB=MS

QSS/COXNSUB為襯底(阱)摻雜濃度,它也決定了體內(nèi)費(fèi)米勢(shì)F當(dāng)半導(dǎo)體表面的費(fèi)米勢(shì)等于F時(shí)，半導(dǎo)體表面處于強(qiáng)反型,此時(shí)表面勢(shì)PHI=2Fn型反型層PHI>0,p型反型層PHI<0VFB稱之為平帶電壓,它是使半導(dǎo)體表面能帶和體內(nèi)能帶拉平而需在柵級(jí)上所加的電壓.MS為柵金屬與半導(dǎo)體硅的功函數(shù)之差除以電子電荷.其數(shù)值與硅的摻雜類型,濃度以及柵金屬材料有關(guān).24第24頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四MOSFET一級(jí)模型(Level=1)(續(xù))柵材料類型由模型參數(shù)TPG決定.柵氧化層與硅半導(dǎo)體的表面電荷密度QSS=qNSSNSS為表面態(tài)密度,其模型參數(shù)為NSS.N溝道硅柵增強(qiáng)型MOSFET:VFB

-1.2V,PHI0.6VN溝道硅柵耗盡型MOSFET:VFB

-0.60.8V模型參數(shù)LAMBDA()為溝道長度調(diào)制系數(shù).其物理意義為MOSFET進(jìn)入飽和區(qū)后單位漏-源電壓引起的溝道長度的相對(duì)變化率.25第25頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四MOSFET一級(jí)模型直流特性涉及的模型參數(shù)參數(shù)符號(hào)SPICE名說明VTOVTO襯底零偏置時(shí)源閾值電壓KPKP本征跨導(dǎo)參數(shù)GAMMA體效應(yīng)閾值系數(shù)2FPHI強(qiáng)反型時(shí)的表面勢(shì)壘高度LAMBDA溝道長度調(diào)制系數(shù)μo/μnUO表面遷移率L 溝道長度LDLD溝道長度方向上橫向擴(kuò)散長度W溝道寬度TOXTOX柵氧化層厚度TPG柵材料類型NSUBNSUB襯底(阱)摻雜濃度NSSNSS表面態(tài)密度26第26頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四VTO,KP,GAMMA,PHI,LAMBDA是器件參數(shù).TOX,TPG,NSUB,NSS是工藝參數(shù).若用戶僅給出了工藝參數(shù),SPICE會(huì)計(jì)算出相應(yīng)的器件參數(shù).IS: 襯底結(jié)飽和電流(省缺值為0)JS 襯底結(jié)飽和電流密度N: 襯底PN結(jié)發(fā)射系數(shù)AS: 源區(qū)面積PS: 源區(qū)周長AD: 漏區(qū)面積PD: 漏區(qū)周長JSSW: 襯底PN結(jié)側(cè)壁單位長度的電流MOSFET一級(jí)模型直流特性涉及的模型參數(shù)27第27頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四Iss=ASJS+PSJSSWIds=ADJS+PDJSSWIb=Ibs+Ibd上列8個(gè)參數(shù)用于計(jì)算1)襯底電流2)襯-源PN結(jié)漏電流3)襯-漏PN結(jié)漏電流其中,MOSFET一級(jí)模型直流特性涉及的模型參數(shù)28第28頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四MOSFET二級(jí)模型又稱MOS2模型，LEVEL＝2的MOS2模型在MOS1模型基礎(chǔ)上考慮了一些二階效應(yīng)，提出了短溝道或窄溝道MOS管的模型，又被稱為二維解析模型。29第29頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四MOSFET二級(jí)模型

MOS2模型考慮的二階效應(yīng)主要包括：（1）溝道長度對(duì)閾值電壓的影響（2）漏柵靜電反饋效應(yīng)對(duì)閾值電壓的影響（3）溝道寬度對(duì)閾值電壓的影響（4）遷移率隨表面電場(chǎng)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)30第30頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四MOSFET三級(jí)模型又稱MOS3模型，MOS3模型是一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停m用于短溝道器件。31第31頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四精確描述各種二級(jí)效應(yīng),又節(jié)省計(jì)算時(shí)間。計(jì)算公式中考慮了漏源電源引起的表面勢(shì)壘降低而使閾值電壓下降的靜電反饋效應(yīng).短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)對(duì)閾值電壓的影響.載流子極限漂移速度引起的溝道電流飽和效應(yīng)表面電場(chǎng)對(duì)載流子遷移率的影響.沿溝道方向(Y方向)的閾值電壓半經(jīng)驗(yàn)公式:MOSFET三級(jí)模型——

半經(jīng)驗(yàn)短溝道模型(Level=3)32第32頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四半經(jīng)驗(yàn)短溝道模型(Level=3)(續(xù))靜電反饋系數(shù)ETA是模擬靜電反饋效應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù).載流子s隨VGS而變化THETA稱之為遷移率調(diào)制系數(shù),是模型參數(shù).溝道長度調(diào)制減小量L的半經(jīng)驗(yàn)公式為:

k稱之為飽和電場(chǎng)系數(shù),模型參數(shù)為KAPPA.與MOS2模型相比，MOS3模型引入三個(gè)新的模型參數(shù)為:ETA,THETA,KAPPA。除此之外,MESFET三級(jí)模型中的閾值電壓,飽和電壓,溝道調(diào)制效應(yīng)和漏源電流表達(dá)式等都是半經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式.33第33頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四MOSFET49級(jí)模型(Level=49,BSIM3V3——Berkeleyshort-channelIGFETmodel)1995年10月31日由加州柏克萊分校推出，基于物理的深亞微米MOSFET模型，可用于模擬和數(shù)字電路模擬。(1) 閾值電壓下降,(2) 非均勻摻雜效應(yīng),(3) 垂直電場(chǎng)引起的遷移率下降,(4) 載流子極限漂移速度引起的溝道電流飽和效應(yīng)(5) 溝道長度調(diào)制(6) 漏源電源引起的表面勢(shì)壘降低而使閾值電壓下降的靜電反饋效應(yīng).(7) 襯底電流引起的體效應(yīng)(8) 亞閾值導(dǎo)通效應(yīng)(9) 寄生電阻效應(yīng)34第34頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四MOSFET49級(jí)模型(Level=49,BSIM3V3)

共有166(174)個(gè)參數(shù)!67個(gè)DC參數(shù)13個(gè)AC和電容參數(shù)2個(gè)NQS模型參數(shù)10個(gè)溫度參數(shù)11個(gè)W和L參數(shù)4個(gè)邊界參數(shù)4個(gè)工藝參數(shù)8個(gè)噪聲模型參數(shù)47二極管,耗盡層電容和電阻參數(shù)8個(gè)平滑函數(shù)參數(shù)(在3.0版本中)35第35頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四飛利浦MOSFET模型(Level=50)共有72個(gè)模型參數(shù).最適合于對(duì)模擬電路進(jìn)行模擬.36第36頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四不同MOSFET模型應(yīng)用場(chǎng)合Level1 簡單MOSFET模型，適用于長溝道器件Level2 2m器件模擬分析Level3 0.9m器件數(shù)字分析BSIM1 0.8m器件數(shù)字分析BSIM2 0.3m器件模擬與數(shù)字分析BSIM3 0.5m器件模擬分析與0.1m器件數(shù)字分析Level=6 亞微米離子注入器件Level=50 小尺寸器件模擬電路分析Level=11 SOI（絕緣層上硅）器件對(duì)電路設(shè)計(jì)者來說,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型參數(shù).37第37頁，共40頁，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臺(tái)積電公司某一批0.35mCMOS工藝NMOS器件的Star-HSpice參數(shù)(命名為CMOSN的NMOS模型庫Spice文件)38第38頁，共40頁，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