集成电路器件及SPICE模型.ppt
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1、第第6章章 集成电路器件及集成电路器件及SPICE模型模型26.1 无源器件结构及模型无源器件结构及模型6.2二极管电流方程及SPICE模型6.3双极晶体管电流方程及SPICE模型6.4结型场效应管JFET模型6.5MESFET模型6.6MOS管电流方程及SPICE模型6.7SPICE数模混合仿真程序的设计流程及方法36.1 无源器件结构及模型无源器件结构及模型 集成电路中的无源元件包括:互连线、电阻、电容、电感、传输线等46.1.1 互连线互连线n n互连线设计应该注意以下方面:大多数连线应该尽量短 最小宽度 保留足够的电流裕量 多层金属 趋肤效应和寄生参数(微波和毫米波)寄生效应 56.1
2、.2 电阻电阻n n实现电阻有三种方式:1.晶体管结构中不同材料层的片式电阻(不准确)2.专门加工制造的高质量高精度电阻 3.互连线的传导电阻 6图图(a)单线和单线和U-型电阻结构型电阻结构 (b)它们的等效电路它们的等效电路阻值计算最小宽度7图6.2栅漏短接的MOS有源电阻及其I-V曲线R Ronon直流直流电电阻阻 R Ronon交流电阻交流电阻 r rds1.栅、漏短接并工作在饱和区的MOS有源电阻 8图6.3饱和区的NMOS有源电阻示意图直流直流电电阻阻 R Ronon交流电阻交流电阻 r rds条件:条件:VGS保持不变保持不变2.VGS保持不变的饱和区有源电阻9n n对于理想情况
3、,O点的交流电阻应为无穷大,实际上因为沟道长度调制效应,交流电阻为一个有限值,但远大于在该工作点上的直流电阻。在这个工作区域,当漏源电压变化时,只要器件仍工作在饱和区,它所表现出来的交流电阻几乎不变,直流电阻则将随着漏源电压变大而变大。10总结:有源电阻的几种形式(a)(d)(a)(d)和和 (c)(c)直流电阻直流电阻 R Ron交流电阻交流电阻 r rds116.1.3 电容电容n n在高速集成电路中,有多种实现电容的方法:1)利用二极管和三极管的结电容;2)利用图6.5(a)所示的叉指金属结构;3)利用图6.5(b)所示的金属-绝缘体-金属(MIM)结构;4)利用类似于类似于图6.5(b
4、)的多晶硅/金属-绝缘体-多晶硅结构;12图图6.5 (a)叉指结构电容和叉指结构电容和(b)MIM 结构电容结构电容 13电容电容n n平板电容公式平板电容公式n n高频等效模型高频等效模型n n 自谐振频率自谐振频率 f f0 0 n n品质因数品质因数 QQff0/3146.1.4 电感电感引言集总电感单匝单匝线圈版图 a,w取微米单位 15式中:ri=螺旋的内半径,微米,r0=螺旋的外半径,微米,N=匝数。n多匝螺旋形线圈电感值计算公式为:16电感电感电感精度:电感模型17传输线电感传输线电感传输线电感传输线电感n n获得获得单端口单端口单端口单端口电感的另一种方法是使用长度电感的另一
5、种方法是使用长度ll/4ll/4 波长的短电传输线波长的短电传输线(微带或共面波导微带或共面波导)或使用长度或使用长度在在l/4l/4 ll/2 ll/2 范围内的开路传输线。范围内的开路传输线。n 双端口双端口双端口双端口电感与键合线电感电感与键合线电感电感与键合线电感电感与键合线电感短路负载:短路负载:开路负载:开路负载:186.1.5 分布参数元件分布参数元件集总元件和分布元件n n随着工作频率的增加,一些诸如互连线的IC元件的尺寸变得很大,以致它们可以与传输信号的波长相比。这时,集总元件模型就不能有效地描述那些大尺寸元件的性能,应该定义为分布元件。19微带线(a)(b)图图典型微带线的
6、剖面图典型微带线的剖面图(a)和覆盖钝化膜的微带线和覆盖钝化膜的微带线(b)20n TEM波传输线的条件n GaAs衬底的厚度200um21n n微带线设计需要的电参数主要是阻抗、衰减、无载Q、波长、迟延常数。n n阻抗计算 n n微带线的衰减由两部分组成:导线损耗和介质损耗 n n形成微带线的基本条件是,介质衬底的背面应该完全被低欧姆金属覆盖并接地,从而使行波的电场主要集中在微带线下面的介质中。w/h122共面波导共面波导(CPW)(a)(b)图常规共面波导(a)与双线共面波导(b)23n nCPWCPW传输传输TEMTEM波的条件波的条件n nCPWCPW的阻抗计算的阻抗计算n n由由Z
7、ZL L计算计算CPWCPW的宽度的宽度W:W:对应于厚衬底对应于厚衬底 /薄衬底有效介电常数有变化薄衬底有效介电常数有变化n nCPWCPW的衰减计算的衰减计算24n n相对于微带线,相对于微带线,CPWCPW的优点是:的优点是:1 1)工艺简单,费用低,因为所有接地线均在上表面)工艺简单,费用低,因为所有接地线均在上表面而不需接触孔。而不需接触孔。2 2)在相邻的)在相邻的CPWCPW之间有更好的屏蔽,因此有更高的之间有更好的屏蔽,因此有更高的集成度和更小的芯片尺寸。集成度和更小的芯片尺寸。3 3)比金属孔有更低的接地电感。)比金属孔有更低的接地电感。4 4)低的阻抗和速度色散。)低的阻抗
8、和速度色散。n nCPWCPW的缺点是:的缺点是:1 1)衰减相对高一些,在)衰减相对高一些,在50GHz50GHz时,时,CPWCPW的衰减是的衰减是0.5dB/mm;0.5dB/mm;2 2)由于厚的介质层,导热能力差,不利于大功率放)由于厚的介质层,导热能力差,不利于大功率放大器的实现。大器的实现。256.1无源器件结构及模型6.2二极管电流方程及SPICE模型6.3双极晶体管电流方程及SPICE模型6.4结型场效应管JFET模型6.5MESFET模型6.6MOS管电流方程及SPICE模型6.7SPICE数模混合仿真程序的设计流程及方法(见CH06-2课件)266.2 二极管电流方程及S
9、PICE模型 集集成成电电路路和和半半导导体体器器件件的的各各类类特特性性都都是是PNPN结结相相互互作作用用的的结结果果,它它是是微微电电子子器器件件的的基基础础。如如果果通通过过某某种种方方法法使使半半导导体体中中一一部部分分区区域域为为P P型型,另另一一部部分分区区域域为为NN型型,则则在在其其交交界界面面就就形形成成了了PNPN结结。以以PNPN结结构构成成的的二二极极管管的的最最基基本本的的电电学学行行为为是是具具有有单向导电性。单向导电性。27图6.9 二极管等效电路模型 Cj和Cd分别代表PN结的势垒电容和扩散电容。RS代表从外电极到结的路径上通常是半导体材料的电阻,称之为体电
10、阻。28 表6.1 二极管模型参数对照表 296.2.2 二极管的噪声模型1.热噪声在寄生电阻RS上产生的热噪声:2.闪烁(1/f)噪声和散粒噪声理想二极管产生的1/f噪声和散粒噪声:306.1无源器件结构及模型6.2二极管电流方程及SPICE模型6.3双极晶体管电流方程及SPICE模型6.4结型场效应管JFET模型6.5MESFET模型6.6MOS管电流方程及SPICE模型6.7SPICE数模混合仿真程序的设计流程及方法(见CH06-2课件)316.3 双极晶体管电流方程及SPICE模型 SPICE中的双极型晶体管模型常采用Ebers-Moll(即EM)模型和Gummel-Poon(即GP)
11、模型。这两种模型均属于物理模型,其模型参数能较好地反映物理本质且易于测量,所以便于理解和使用。32图6.10 EM直流模型 33n n由于这种EM模型将电流增益作为频率的函数来处理,对计算晶体管存贮效应和瞬态特性不方便,所以改进的EM模型用了电荷控制观点,即增加电容到模型中。并进一步考虑到发射极、基极和集电极串联电阻,以及集成电路中集电结对衬底的电容,于是得到EM2模型。34 图6.11 EM2模型 35图6.12 EM小信号等效电路 36表6.2 双极型晶体管部分模型参数在SPICE 中的符号名称 37n nGPGP模模型型是是19701970年年由由HHK KGummelGummel和和H
12、HC CPoonPoon提提出出的的。GPGP模型对模型对EM2EM2模型在以下几方面作了改进:模型在以下几方面作了改进:1.1.直直流流特特性性:反反映映了了集集电电结结上上电电压压的的变变化化引引起起有有效效基基区区宽宽度度变变化化的的基基区区宽宽度度调调制制效效应应,改改善善了了输输出出电电导导、电电流流增增益益和和特特征征频频率率。反反映映了了共共射射极极电电流流放放大大倍倍数数 随随电电流流和和电电压压的的变变化。化。2.2.交交流流特特性性:考考虑虑了了正正向向渡渡越越时时间间 F F随随集集电电极极电电流流I IC C的的变变化化,解解决决了了在在大大注注入入条条件件下下由由于于
13、基基区区展展宽宽效效应应使使特特征征频频率率f fT T和和I IC C成反比的特性。成反比的特性。3.3.考虑了大注入效应,改善了高电平下的伏安特性。考虑了大注入效应,改善了高电平下的伏安特性。4.4.考虑了模型参数和温度的关系。考虑了模型参数和温度的关系。5.5.根根据据横横向向和和纵纵向向双双极极晶晶体体管管的的不不同同,考考虑虑了了外外延延层层电电荷荷存存储引起的准饱和效应。储引起的准饱和效应。38 图图6.13 GP6.13 GP直流模型直流模型 39图6.14 GP小信号模型 GP小信号模型与EM小信号模型十分一致,只是参数的值不同而已。406.1无源器件结构及模型6.2二极管电流
14、方程及SPICE模型6.3双极晶体管电流方程及SPICE模型6.4结型场效应管JFET模型6.5MESFET模型6.6MOS管电流方程及SPICE模型6.7SPICE数模混合仿真程序的设计流程及方法(见CH06-2课件)41N沟JFET的结构示意图和电路符号42结型场效应 JFET(NJF/PJF)模型 n nJFETJFET模模型型源源于于ShichmanShichman和和HodgesHodges给给出出的的FETFET模模型型。其其直直流流特特性性由由反反映映漏漏极极电电流流随随栅栅极极电电压压变变化化的的参参数数 VTOVTO和和BETABETA、确确定定输输出出电电导导的的参参数数L
15、AMBDALAMBDA和和栅栅-源源结结与与栅栅-漏漏结结饱饱和和电电流流的的参参数数ISIS共共同同描描述述。包包含含了了RDRD和和RSRS两两个个欧欧姆姆电电阻阻。其其电电荷荷存存储储效效应应由由随随结结电电压压的的平平方方根根变变化化的的栅栅-源源与与栅栅-漏漏两两个个结结的的非非线线性性耗耗尽尽层层电容模拟,参数为电容模拟,参数为CGSCGS,CGDCGD和和PBPB。43表6.3 JFET的SPICE模型参数446.1无源器件结构及模型6.2二极管电流方程及SPICE模型6.3双极晶体管电流方程及SPICE模型6.4结型场效应管JFET模型6.5MESFET模型6.6MOS管电流方
16、程及SPICE模型6.7SPICE数模混合仿真程序的设计流程及方法(见CH06-2课件)45n nMESFETMESFET模型源于模型源于StatzStatz等给出的等给出的GaAsGaAs模型模型n n其直流特性由反映漏极电流随栅极电压变化的参数其直流特性由反映漏极电流随栅极电压变化的参数VTOVTO、B B和和BETABETA,并由确定饱和电压的参数,并由确定饱和电压的参数ALPHAALPHA和确定输出和确定输出电导的参数电导的参数LAMBDALAMBDA共同描述,表达式为共同描述,表达式为n n模型模型 包含了包含了RDRD和和RSRS两个欧姆电阻。其电荷存储效应由随两个欧姆电阻。其电荷
17、存储效应由随结电压的平方根变化的结电压的平方根变化的栅栅-源与栅源与栅-漏两个结的非线性耗尽漏两个结的非线性耗尽层电容模拟,参数为层电容模拟,参数为CGSCGS,CGDCGD和和PBPB。46n n表6.4 MESFET的SPICE模型参数476.1无源器件结构及模型6.2二极管电流方程及SPICE模型6.3双极晶体管电流方程及SPICE模型6.4结型场效应管JFET模型6.5MESFET模型6.6MOS管电流方程及SPICE模型6.7SPICE数模混合仿真程序的设计流程及方法(见CH06-2课件)48SPICE集成电路分析程序与MOSFET模型HSpice中常用的几种中常用的几种MOSFET
18、模型模型Level=1Level=1Shichman-Hodges Shichman-Hodges Level=2Level=2基于几何图形的分析模型基于几何图形的分析模型 Grove-Frohman Model(SPICE 2G)Grove-Frohman Model(SPICE 2G)Level=3Level=3半经验短沟道模型半经验短沟道模型(SPICE 2G)SPICE 2G)Level=49Level=49BSIM3V3BSIM3V3BSIM,BSIM,3 3rd,rd,V Version ersion 3 3Level=50Level=50Philips MOS9Philips M
19、OS949MOSFET一级模型(Level=1)描描述述I I和和V V的的平平方方率率特特性性,它它考考虑虑了了衬衬底底调调制制效效应应和和沟道长度调制效应沟道长度调制效应.n n非饱和区非饱和区n n饱和区饱和区KP=Cox本征跨导参数Cox=ox/Tox单位面积的栅氧化层电容LO有效沟道长度,L版图栅长,LD沟道横向扩散长度50MOSFET一级模型(Level=1)(续)MOSFETMOSFET的的阈阈值值电电压压V Vtoto本本质质上上由由栅栅级级上上的的电电 荷荷,绝绝缘缘层层中中的的电电荷荷和和沟沟道道区区电电荷荷之之间间的的平平衡衡 决决定定 的的,表达式为表达式为:V VTO
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