CMOS器件模型課件

CMOS器件模型及Hspice介紹

西安電子科技大學朱樟明1精選課件CMOS器件模型一、無源器件結構介紹二、簡單的MOS大信號模型三、MOS小信號模型四、SpiceLevel3Model五、HSpice仿真介紹2精選課件一、無源器件結構及模型

集成電路中的無源元件包括:互連線、電阻、電容、電感、傳輸線等3精選課件互連線互連線設計應該注意以下方面：大多數(shù)連線應該盡量短最小寬度保留足夠的電流裕量多層金屬趨膚效應和寄生參數(shù)（微波和毫米波）寄生效應4精選課件

電阻實現(xiàn)電阻有三種方式：1.晶體管結構中不同材料層的片式電阻（不準確）2.專門加工制造的高質量高精度電阻3.互連線的傳導電阻5精選課件(a)單線和U-型電阻結構

(b)它們的等效電路阻值計算最小寬度6精選課件柵漏短接的MOS有源電阻及其I-V曲線Ron直流電阻Ron>交流電阻rds柵、漏短接并工作在飽和區(qū)的MOS有源電阻

7精選課件飽和區(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VGS保持不變的飽和區(qū)有源電阻8精選課件對于理想情況，Oˊ點的交流電阻應為無窮大，實際上因為溝道長度調制效應，交流電阻為一個有限值，但遠大于在該工作點上的直流電阻。在這個工作區(qū)域，當漏源電壓變化時，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。9精選課件總結：

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rds10精選課件電容在高速集成電路中，有多種實現(xiàn)電容的方法：1）利用二極管和三極管的結電容；2）利用叉指金屬結構；3）利用金屬-絕緣體-金屬(MIM)結構；4）利用類似于MTM的多晶硅/金屬-絕緣體-多晶硅結構；11精選課件(a)叉指結構電容和(b)MIM結構電容

12精選課件電容平板電容公式高頻等效模型自諧振頻率f0

品質因數(shù)Qf<f0/313精選課件電感集總電感單匝線圈版圖

a，w取微米單位

14精選課件式中：ri=螺旋的內半徑，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算公式為：

15精選課件電感電感精度：電感模型16精選課件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)或使用長度在l/4λ<l<l/2λ范圍內的開路傳輸線。

雙端口電感與鍵合線電感短路負載：開路負載：17精選課件分布參數(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的波長相比。這時，集總元件模型就不能有效地描述那些大尺寸元件的性能，應該定義為分布元件。

18精選課件微帶線(a)(b)典型微帶線的剖面圖(a)和覆蓋鈍化膜的微帶線(b)19精選課件TEM波傳輸線的條件

GaAs襯底的厚度<200um20精選課件微帶線設計需要的電參數(shù)主要是阻抗、衰減、無載Q、波長、遲延常數(shù)。阻抗計算

微帶線的衰減α由兩部分組成：導線損耗和介質損耗形成微帶線的基本條件是，介質襯底的背面應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中。w/h<1w/h>1微帶線21精選課件共面波導(CPW)(a)(b)常規(guī)共面波導(a)與雙線共面波導(b)22精選課件CPW傳輸TEM波的條件CPW的阻抗計算由ZL計算CPW的寬度W:對應于厚襯底/薄襯底有效介電常數(shù)有變化CPW的衰減計算23精選課件相對于微帶線，CPW的優(yōu)點是：1）工藝簡單，費用低，因為所有接地線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的缺點是：1）衰減相對高一些，在50GHz時，CPW的衰減是0.5dB/mm;2）由于厚的介質層，導熱能力差，不利于大功率放大器的實現(xiàn)。CPW的優(yōu)缺點24精選課件二、簡單的MOS大信號模型（SpiceLevel1）大信號模型是非線性模型；最簡單的模型，主要用于手工計算；表征器件電壓（VGS等）與器件電流直流值的關系Level1模型，由Sah建議，Shichman和Hodges使用，主要包括VT、K`（跨導參數(shù)）、λ（溝道長度調制參數(shù)）、γ（體閾值參數(shù)）、ф等。推出小信號模型。25精選課件NMOS跨導特性（VDS=0.1V）26精選課件NMOS輸出特性（VGS=2VT）27精選課件NMOS輸出特性（VGS=4VT）28精選課件修正的Sah模型29精選課件襯底電壓對NMOS閾值電壓VTH的影響30精選課件0.8umCMOS工藝的大信號模型參數(shù)31精選課件大信號NMOS的寄生電容耗盡電容：CBD、CBS柵電容：CGS、CGD、CGB32精選課件耗盡電容CBD、CBS其中ABD為Bulk-Drain面積；

0.33<MJ<0.533精選課件柵電容：CGS、CGD、CGB交疊電容C1、C2（柵-體交疊電容）、C334精選課件NMOS柵電容總結35精選課件三、MOS小信號模型簡化計算的線性模型；在大信號電壓和電流完全可以用直線表示時才有效；基于大信號模型所實現(xiàn)，依賴于大信號工作條件。36精選課件等效跨導gbd、gbs和溝道跨導gm、gmbs、gds37精選課件飽和區(qū)小信號跨導38精選課件非飽和區(qū)小信號跨導39精選課件四、SpiceLevel3Model40精選課件BSIM3V3Model工業(yè)標準MOSSpice仿真模型；適用于亞微米、沈亞微米CMOS工藝；充分考慮了閾值電壓的減小、遷移率的退化、溝道長度調制效應、熱電子效應等；支持Hspice、Spectre等仿真工具；41精選課件MOSFET49級模型(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,(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,(5) 溝道長度調制(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.(7) 襯底電流引起的體效應(8) 亞閾值導通效應(9) 寄生電阻效應42精選課件

共有166(174)個參數(shù)!67個DC參數(shù)13個AC和電容參數(shù)2個NQS模型參數(shù)10個溫度參數(shù)11個W和L參數(shù)4個邊界參數(shù)4個工藝參數(shù)8個噪聲模型參數(shù)47二極管,耗盡層電容和電阻參數(shù)8個平滑函數(shù)參數(shù)(在3.0版本中)MOSFET49級模型(Level=49,BSIM3V3)43精選課件不同MOSFET模型應用場合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器件對電路設計工程師來說,采用什么模型參數(shù)在很大程度上還取決于能從相應的工藝制造單位得到何種模型參數(shù).44精選課件五、Hspice仿真介紹MOS晶體管的Netlist表達M13670NCHW=100UL=1U模型描述.Model<ModelName><ModelType><ModelParameters>ModelName如“NCH”；ModelType如“PMOS”ModelParammeters如Level=1VTO-1KP=50UGAMMA=0.5LAMBDA=0.0145精選課件Hspice數(shù)據(jù)流程46精選課件Hspice輸入文件格式（.sp）

Includefiles.INC‘a(chǎn)nd2.subckt’LibraryCall.LIB‘/vlsi-data/eda_models/hspice/tsmc035/logsp35.l’TTNetlistmp1 1 2 vdd! vdd! pchw=2.8ul=0.6umn1 1 2 gnd! gnd! nchw=1.4ul=0.6uC1 3 gnd! 250fF IC=3.3VR2 2 3 100megOutputControl.meastranTrTRIGv(in)val=‘3.3/2'TD=’10n'RISE=1+TARGv(out)val=‘3.3/2'RISE=1.meastranTfTRIGv(in)val=‘3.3/2'TD=’10n'FALL=1+TARGv(out)val=‘3.3/2'FALL=1.measTdelayparam='(Tr+Tf)/2'47精選課件Hspice激勵介紹（直流電壓/電流源）Vdcn1n23.3n1n2tdtperv1v2tpwtftrIdcn3n420mPulse :Vpuln1n2pulse(v1v2tdtrtftpwtper)3.3V20mAn3n448精選課件Hspice分析類型

Transientanalysis.TRAN 0.1n 100nUICOperatingPoint.OP

DCSweep.DC vin 1V 5V 0.5VACsmallsignalanalysis.AC LIN 1K 100MEG.AC DEC 1K 100MEG

ExecutingHSPICE%hspice

myfile.sp

?49精選課件MOS晶體管DC分析50精選課件兩級CMOSOPA的Hspice仿真51精選課件Hspice仿真器用戶界面52精選課件波形工具Awaves53精選課件查看仿真結果54精選課件分析仿真結果55精選課件分析仿真結果56精選課件N溝JFET的結構示意圖和電路符號六、NJFET介紹57