集成電路器件和SPICE模型

第6章集成電路器件及SPICE模型第1頁/共69頁SPICE模型SPICE（Simulationprogramwithintegratedcircuitemphasis）是最為普遍的電路級(jí)模擬程序，各軟件廠家提供提供了Vspice、Hspice、Pspice等不同版本spice軟件，其仿真核心大同小異，都是采用了由美國加州Berkeley大學(xué)開發(fā)的spice模擬算法。第2頁/共69頁SPICE模型以元器件的工作原理為基礎(chǔ)，從元器件的數(shù)學(xué)方程式出發(fā)，得到的器件模型及模型參數(shù)與器件的物理工作原理有密切的關(guān)系。SPICE模型是這種模型中應(yīng)用最廣泛的一種。其優(yōu)點(diǎn)是精度較高，特別是隨著建模手段的發(fā)展和半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步和規(guī)范，人們已可以在多種級(jí)別上提供這種模型，滿足不同的精度需要。缺點(diǎn)是模型復(fù)雜，計(jì)算時(shí)間長。第3頁/共69頁6.1無源器件結(jié)構(gòu)及模型6.2二極管電流方程及SPICE模型6.3雙極晶體管電流方程及SPICE模型6.4結(jié)型場效應(yīng)管JFET模型6.5MESFET模型6.6MOS管電流方程及SPICE模型第4頁/共69頁6.1無源器件結(jié)構(gòu)及模型集成電路中的無源元件包括:互連線、電阻、電容、電感、傳輸線第5頁/共69頁6.1.1互連線互連線設(shè)計(jì)應(yīng)該注意以下方面：大多數(shù)連線盡量短最小寬度保留足夠的電流裕量多層金屬趨膚效應(yīng)和寄生參數(shù)（微波和毫米波）寄生效應(yīng)第6頁/共69頁6.1.2電阻實(shí)現(xiàn)電阻有四種方式：1.晶體管結(jié)構(gòu)中不同材料層的片式電阻（不準(zhǔn)確）2.專門加工制造的高質(zhì)量高精度電阻3.互連線的傳導(dǎo)電阻4.有源電阻第7頁/共69頁圖(a)單線和U-型電阻結(jié)構(gòu)

(b)它們的等效電路

阻值計(jì)算最小寬度第8頁/共69頁圖6.2柵漏短接的MOS有源電阻及其I-V曲線Ron直流電阻Ron>交流電阻rds1.柵、漏短接并工作在飽和區(qū)的MOS有源電阻

第9頁/共69頁圖6.3飽和區(qū)的NMOS有源電阻示意圖直流電阻Ron<交流電阻rds條件：VGS保持不變2.VGS保持不變的飽和區(qū)有源電阻第10頁/共69頁對(duì)于理想情況，Oˊ點(diǎn)的交流電阻應(yīng)為無窮大，實(shí)際上因?yàn)闇系篱L度調(diào)制效應(yīng)，交流電阻為一個(gè)有限值，但遠(yuǎn)大于在該工作點(diǎn)上的直流電阻。在這個(gè)工作區(qū)域，當(dāng)漏源電壓變化時(shí)，只要器件仍工作在飽和區(qū)，它所表現(xiàn)出來的交流電阻幾乎不變，直流電阻則將隨著漏源電壓變大而變大。第11頁/共69頁總結(jié)：有源電阻的幾種形式(a)(d)和(c)直流電阻Ron<交流電阻rds(b)和(e)直流電阻Ron>交流電阻rds第12頁/共69頁6.1.3電容在高速集成電路中，有多種實(shí)現(xiàn)電容的方法1）利用二極管和三極管的結(jié)電容；2）利用圖6.5(a)所示的叉指金屬結(jié)構(gòu)；3）利用圖6.5(b)所示的金屬-絕緣體-金屬(MIM)結(jié)構(gòu)；4）利用類似于圖6.5(b)的多晶硅/金屬-絕緣體-多晶硅結(jié)構(gòu)；第13頁/共69頁圖6.5(a)叉指結(jié)構(gòu)電容和(b)MIM結(jié)構(gòu)電容

第14頁/共69頁電容平板電容公式高頻等效模型自諧振頻率f0

品質(zhì)因數(shù)Q=f0/(f2-f1)f<f0/3第15頁/共69頁6.1.4電感引言集總電感單匝線圈版圖

a，w取微米單位

第16頁/共69頁式中：ri=螺旋的內(nèi)半徑，微米，

r0=螺旋的外半徑，微米，

N=匝數(shù)。多匝螺旋形線圈電感值計(jì)算公式為：

第17頁/共69頁電感電感精度：電感模型第18頁/共69頁傳輸線電感獲得單端口電感的另一種方法是使用長度l<l/4λ波長的短電傳輸線(微帶或共面波導(dǎo))或使用長度在l/4λ<l<l/2λ范圍內(nèi)的開路傳輸線。

雙端口電感與鍵合線電感短路負(fù)載：開路負(fù)載：第19頁/共69頁6.1.5分布參數(shù)元件集總元件和分布元件隨著工作頻率的增加，一些諸如互連線的IC元件的尺寸變得很大，以致它們可以與傳輸信號(hào)的波長相比。這時(shí)，集總元件模型就不能有效地描述那些大尺寸元件的性能，應(yīng)該定義為分布元件。

第20頁/共69頁微帶線(a)(b)圖 典型微帶線的剖面圖(a)和覆蓋鈍化膜的微帶線(b)第21頁/共69頁TEM波傳輸線的條件GaAs襯底的厚度<200umTEM波指電矢量于磁矢量都與傳播方向垂直的電磁波。第22頁/共69頁微帶線設(shè)計(jì)需要的電參數(shù)主要是阻抗、衰減、無載Q、波長、遲延常數(shù)。阻抗計(jì)算

微帶線的衰減α由兩部分組成：導(dǎo)線損耗和介質(zhì)損耗形成微帶線的基本條件是，介質(zhì)襯底的背面應(yīng)該完全被低歐姆金屬覆蓋并接地，從而使行波的電場主要集中在微帶線下面的介質(zhì)中。w/h<1w/h>1第23頁/共69頁共面波導(dǎo)(CPW)(a)(b)圖常規(guī)共面波導(dǎo)(a)與雙線共面波導(dǎo)(b)第24頁/共69頁CPW傳輸TEM波的條件CPW的阻抗計(jì)算由ZL計(jì)算CPW的寬度W:

對(duì)應(yīng)于厚襯底/薄襯底有效介電常數(shù)有變化CPW的衰減計(jì)算第25頁/共69頁相對(duì)于微帶線，CPW的優(yōu)點(diǎn)是：1）工藝簡單，費(fèi)用低，因?yàn)樗薪拥鼐€均在上表面而不需接觸孔。2）在相鄰的CPW之間有更好的屏蔽，因此有更高的集成度和更小的芯片尺寸。3）比金屬孔有更低的接地電感。4）低的阻抗和速度色散。CPW的缺點(diǎn)是：1）衰減相對(duì)高一些，在50GHz時(shí)，CPW的衰減是0.5dB/mm;2）由于厚的介質(zhì)層，導(dǎo)熱能力差，不利于大功率放大器的實(shí)現(xiàn)。第26頁/共69頁6.1無源器件結(jié)構(gòu)及模型6.2二極管電流方程及SPICE模型6.3雙極晶體管電流方程及SPICE模型6.4結(jié)型場效應(yīng)管JFET模型6.5MESFET模型6.6MOS管電流方程及SPICE模型第27頁/共69頁6.2二極管電流方程及SPICE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)。如果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)成的二極管的最基本的電學(xué)行為是具有單向?qū)щ娦?。?8頁/共69頁圖6.9二極管等效電路模型

Cj和Cd分別代表PN結(jié)的勢壘電容和擴(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。

第29頁/共69頁

表6.1二極管模型參數(shù)對(duì)照表

第30頁/共69頁6.2.2二極管的噪聲模型在寄生電阻RS上產(chǎn)生的熱噪聲：2.閃爍（1/f）噪聲和散粒噪聲理想二極管產(chǎn)生的1/f噪聲和散粒噪聲：熱噪聲第31頁/共69頁6.1無源器件結(jié)構(gòu)及模型6.2二極管電流方程及SPICE模型6.3雙極晶體管電流方程及SPICE模型6.4結(jié)型場效應(yīng)管JFET模型6.5MESFET模型6.6MOS管電流方程及SPICE模型第32頁/共69頁6.3雙極晶體管電流方程及SPICE模型

SPICE中的雙極型晶體管模型常采用Ebers-Moll（即EM）模型和Gummel-Poon（即GP）模型。這兩種模型均屬于物理模型，其模型參數(shù)能較好地反映物理本質(zhì)且易于測量，所以便于理解和使用。第33頁/共69頁圖6.10EM直流模型

第34頁/共69頁由于這種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，所以改進(jìn)的EM模型用了電荷控制觀點(diǎn)，即增加電容到模型中。并進(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。第35頁/共69頁

圖6.11EM2模型

第36頁/共69頁圖6.12EM小信號(hào)等效電路

第37頁/共69頁表6.2雙極型晶體管部分模型參數(shù)在SPICE

中的符號(hào)名稱第38頁/共69頁GP模型是1970年由H．K．Gummel和H．C．Poon提出的。GP模型對(duì)EM2模型在以下幾方面作了改進(jìn)：

1.直流特性：反映了集電結(jié)上電壓的變化引起有效基區(qū)寬度變化的基區(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。

2.交流特性：考慮了正向渡越時(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。

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(chǔ)引起的準(zhǔn)飽和效應(yīng)。第39頁/共69頁

圖6.13GP直流模型

第40頁/共69頁圖6.14GP小信號(hào)模型

GP小信號(hào)模型與EM小信號(hào)模型十分一致，只是參數(shù)的值不同而已。第41頁/共69頁6.1無源器件結(jié)構(gòu)及模型6.2二極管電流方程及SPICE模型6.3雙極晶體管電流方程及SPICE模型6.4結(jié)型場效應(yīng)管JFET模型6.5MESFET模型6.6MOS管電流方程及SPICE模型6.7SPICE數(shù)?；旌戏抡娉绦虻脑O(shè)計(jì)流程及方法（見CH06-2課件）第42頁/共69頁N溝JFET的結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號(hào)第43頁/共69頁結(jié)型場效應(yīng)JFET(NJF/PJF)

模型

JFET模型源于Shichman和Hodges給出的FET模型。其直流特性由反映漏極電流隨柵極電壓變化的參數(shù)VTO和BETA、確定輸出電導(dǎo)的參數(shù)LAMBDA和柵-源結(jié)與柵-漏結(jié)飽和電流的參數(shù)IS共同描述。包含了RD和RS兩個(gè)歐姆電阻。其電荷存儲(chǔ)效應(yīng)由隨結(jié)電壓的平方根變化的柵-源與柵-漏兩個(gè)結(jié)的非線性耗盡層電容模擬，參數(shù)為CGS，CGD和PB。

第44頁/共69頁表6.3JFET的SPICE模型參數(shù)第45頁/共69頁6.1無源器件結(jié)構(gòu)及模型6.2二極管電流方程及SPICE模型6.3雙極晶體管電流方程及SPICE模型6.4結(jié)型場效應(yīng)管JFET模型6.5MESFET模型6.6MOS管電流方程及SPICE模型第46頁/共69頁MESFET模型源于Statz等給出的GaAs模型其直流特性由反映漏極電流隨柵極電壓變化的參數(shù)VTO、B和BETA，并由確定飽和電壓的參數(shù)ALPHA和確定輸出電導(dǎo)的參數(shù)LAMBDA共同描述，表達(dá)式為模型

包含了RD和RS兩個(gè)歐姆電阻。其電荷存儲(chǔ)效應(yīng)由隨結(jié)電壓的平方根變化的柵-源與柵-漏兩個(gè)結(jié)的非線性耗盡層電容模擬，參數(shù)為CGS，CGD和PB。第47頁/共69頁表6.4MESFET的SPICE模型參數(shù)第48頁/共69頁6.1無源器件結(jié)構(gòu)及模型6.2二極管電流方程及SPICE模型6.3雙極晶體管電流方程及SPICE模型6.4結(jié)型場效應(yīng)管JFET模型6.5MESFET模型6.6MOS管電流方程及SPICE模型第49頁/共69頁SPICE集成電路分析程序與MOSFET模型HSpice中常用的幾種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 BSIM3V3

BSIM,3rd,Version3Level=50 PhilipsMOS9第50頁/共69頁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).非飽和區(qū)飽和區(qū)

KP=μ

Cox

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)散長度第51頁/共69頁MOSFET一級(jí)模型(Level=1)(續(xù))MOSFET的閾值電壓Vto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的,表達(dá)式為:

VTO是Vbs=0時(shí)的閾值電壓

Vbs是襯底到源區(qū)的偏壓

為體效應(yīng)閾值系數(shù),它反映了Vto隨襯-源偏置Vbs的變化,表達(dá)式為:第52頁/共69頁MOSFET一級(jí)模型(Level=1)(續(xù))NSUB為襯底(阱)摻雜濃度,它也決定了體內(nèi)費(fèi)米勢

F當(dāng)半導(dǎo)體表面的費(fèi)米勢等于

F時(shí),半導(dǎo)體表面處于強(qiáng)反型,此時(shí)表面勢PHI=2

Fn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).VFB=

MS

QSS/COX第53頁/共69頁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,PHI

0.6VN溝道硅柵耗盡型MOSFET:VFB

-0.6

0.8V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.第54頁/共69頁MOSFET一級(jí)模型直流特性涉及的模型參數(shù)VTO VTO

襯底零偏置時(shí)源閾值電壓KP 本征跨導(dǎo)參數(shù)GAMMA

體效應(yīng)閾值系數(shù)PHI 2

F

強(qiáng)反型使的表面勢壘高度LAMBDA

溝道長度調(diào)制系數(shù)UO μo/μn

表面遷移率L 溝道長度LD 溝道長度方向上橫向擴(kuò)散長度W 溝道寬度TOX TOX

柵氧化層厚度TPG 柵材料類型NSUB NSUB

襯底(阱)摻雜濃度NSS NSS

表面態(tài)密度.第55頁/共69頁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).MOSFET一級(jí)模型直流特性涉及的模型參數(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)壁單位長度的電流第56頁/共69頁上列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)Iss=AS

JS+PS

JSSWIds=AD

JS+PD

JSSWIb=Ibs+Ibd第57頁/共69頁MOSFET二級(jí)模型方程

取消了漸變溝道近似分析法中的一些簡化假設(shè)。特別是在計(jì)算整體耗盡電荷時(shí)，考慮到了溝道電壓的影響。同時(shí)對(duì)基本方程進(jìn)行一系列半經(jīng)驗(yàn)性的修正,包括表層載流子遷移率隨柵極電壓的變化,引入了襯底摻雜擬合參數(shù)NA，反映載流子速率飽和特性的擬合參數(shù)Neff,確定亞閾值電壓—電流特性曲線的斜率快速表面態(tài)匹配參數(shù)NFS等。本質(zhì)上也包括了短、窄溝道效應(yīng)的相關(guān)方程。

第58頁/共69頁MOSFET三級(jí)模型,

半經(jīng)驗(yàn)短溝道模型(Level=3)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1)漏源電源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(duì)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(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:

第59頁/共69頁MOSFET三級(jí)模型,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稱之為飽和電場系數(shù),模型參數(shù)為KAPPA.因此,MESFET三級(jí)模型新引入的模型參數(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.第60頁/共69頁MOSFET49級(jí)模型(Level=49,BSIM3V3)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.

模型考慮了(1) 閾值電壓下降,(2) 非均勻摻雜效應(yīng),(3) 垂直電場引起的遷移率下降,(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)第61頁/共69頁

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)MOSFET49級(jí)模型(Level=49,BSIM3V3)第62頁/共69頁飛利浦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.第63頁/共69頁不同MOSFET模型應(yīng)用場合Level1 簡單MOSFET模型Level2 2

m器件模擬分析Level3 0.9

m器件數(shù)字分析BSIM1 0.8

m器件數(shù)字分析BSIM2 0.3

m器件模擬與數(shù)字分析BSIM3 0.5

m器件模擬分析與0.1

m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器件對(duì)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).第64頁/共69頁臺(tái)積電公司某一批0.35

mCMOS工藝NMOS器件的Star-HSpice參數(shù).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頁/共69頁臺(tái)積電公司某一批0.35

mCMOS工藝NMOS器件的Star-HSpice參數(shù)(命名為CMOSN的NMOS模型庫Spice文件)（續(xù)）+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