集成电路器件及SPICE模型.pptx

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1、6.1 无源器件结构及模型 1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6.1.1互连线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）寄生效应第1页/共90页6.1.2 电阻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2第2页/共90页单线和U-型电阻3第3页/共90页4直流电阻直流电阻 R Ronon交流电阻交流电阻 r rds栅、漏短接并工作在饱和区的MOS有源电阻 NMOSPMOS第4页/共90页5直流电阻直流电阻 R Ron

2、on交流电阻交流电阻 r rds条件：条件：VGS保持不变保持不变VGS保持不变的饱和区有源电阻第5页/共90页6(a)(d)和(c)直流电阻Ron交流电阻rds有源电阻的几种形式第6页/共90页6.1.3 电容在高速集成电路中，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）利用类似于图6.5(b)的多晶硅/金属-绝缘体-多晶硅结构；7第7页/共90页叉指结构电容和MIM 结构电容 8第8页/共90页MIM电容采用平板电容公式高频等效模型自谐振频率f0品质因数Q9工作频率ff0/

3、3第9页/共90页6.1.4 电感10单匝线圈版图 a，w 取微米单位 集总电感第10页/共90页11多匝螺旋形线圈电感值计算公式式中：ri=螺旋的内半径，微米，r0=螺旋的外半径，微米，N=匝数。第11页/共90页电感等效电路12第12页/共90页获得单端口电感的另一种方法是使用长度ll/4波长的短电传输线(微带或共面波导)或使用长度在l/4 l l/2范围内的开路传输线。13双端口双端口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：传输线电感Z0特征阻抗特征阻抗c0光速光速 传播相位传播相位 工作频率工作频率当当l l/4时，时，l=l当当l/4l 0,p型反型层

4、 PHI0VFB称之为平带电压,它是使半导体表面能带和体内能带拉平而需在 栅级上所加的电压.MS为栅金属与半导体硅的功函数之差除以电子电荷.其数值与硅的掺杂类型,浓度以及栅金属材料有关.第44页/共90页MOSFET一级模型(Level=1)(续)栅材料类型由模型参数TPG决定.栅氧化层与硅半导体的表面电荷密度QSS=qNSSNSS为表面态密度,其模型参数为NSS.N沟道硅栅增强型MOSFET:VFB-1.2V,PHI0.6VN沟道硅栅耗尽型MOSFET:VFB-0.60.8V模型参数LAMBDA()为沟道长度调制系数.其物理意义为MOSFET进入饱和区后单位漏-源电压引起的沟道长度的相对变化

5、率.45第45页/共90页MOSFET一级模型直流特性涉及的模型参数46参数符号参数记法说明VTOVTO衬底零偏置时源阈值电压KP本征跨导参数GAMMA体效应阈值系数PHI2F强反型使的表面势垒高度LAMBDA沟道长度调制系数UOo/n表面迁移率L沟道长度LD沟道长度方向上横向扩散长度W沟道宽度TOXTOX栅氧化层厚度TPG栅材料类型NSUBNSUB衬底(阱)掺杂浓度NSSNSS表面态密度第46页/共90页VTO,KP,GAMMA,PHI,LAMBDA 是器件参数.TOX,TPG,NSUB,NSS是工艺参数.若用户仅给出了工艺参数,SPICE会计算出相应的器件参数.47IS:衬底结饱和电流衬底

6、结饱和电流(省缺值为省缺值为0)JS衬底结饱和电流密度衬底结饱和电流密度N:衬底衬底PN结发射系数结发射系数AS:源区面积源区面积PS:源区周长源区周长AD:漏区面积漏区面积PD:漏区周长漏区周长JSSW:衬底衬底PN结侧壁单位长度的电流结侧壁单位长度的电流MOSFET一级模型直流特性涉及的模型参数第47页/共90页48Iss=AS JS+PS JSSWIds=AD JS+PD JSSWIb=Ibs+Ibd上列8个参数用于计算1)衬底电流2)衬-源PN结漏电流3)衬-漏PN结漏电流其中,MOSFET一级模型直流特性涉及的模型参数第48页/共90页MOSFET二级模型方程 取消了渐变沟道近似分析

7、法中的一些简化假设。特别是在计算整体耗尽电荷时，考虑到了沟道电压的影响。同时对基本方程进行一系列半经验性的修正,包括表层载流子迁移率随栅极电压的变化,引入了衬底掺杂拟合参数NA，反映载流子速率饱和特性的拟合参数Neff,确定亚阈值电压电流特性曲线的斜率快速表面态匹配参数NFS等。本质上也包括了短、窄沟道效应的相关方程。49第49页/共90页MOSFET三级模型,半经验短沟道模型(Level=3)精确描述各种二级效应,又节省计算时间.计算公式中考虑了1)漏源电源引起的表面势垒降低而使阈值电压下降的静电反馈效应.2)短沟道效应和窄沟道效应对阈值电压的影响.3)载流子极限漂移速度引起的沟道电流饱和效

8、应4)表面电场对载流子迁移率的影响.沿沟道方向(Y方向)的阈值电压半经验公式:50第50页/共90页半经验短沟道模型(Level=3)(续)静电反馈系数ETA是模拟静电反馈效应的经验模型参数.载流子s随VGS而变化THETA称之为迁移率调制系数,是模型参数.沟道长度调制减小量L的半经验公式为:k称之为饱和电场系数,模型参数为KAPPA.因此,MESFET三级模型新引入的模型参数为:ETA,THETA,KAPPA除此之外,MESFET三级模型中的阈值电压,饱和电压,沟道调制效应和漏源电流表达式等都是半经验表达式.51第51页/共90页MOSFET49级模型(Level=49,BSIM3V3)19

9、95年10月31日由加州柏克莱分校推出，基于物理的深亚微米MOSFET模型，可用于模拟和数字电路模拟。(1)阈值电压下降,(2)非均匀掺杂效应,(3)垂直电场引起的迁移率下降,(4)载流子极限漂移速度引起的沟道电流饱和效应,(5)沟道长度调制(6)漏源电源引起的表面势垒降低而使阈值电压下降的静电反馈效应.(7)衬底电流引起的体效应(8)亚阈值导通效应(9)寄生电阻效应52第52页/共90页MOSFET49级模型(Level=49,BSIM3V3)共有166(174)个参数!67个DC参数13个AC和电容参数2个NQS模型参数10个温度参数11个W和L参数4个边界参数4个工艺参数8个噪声模型参数

10、47二极管,耗尽层电容和电阻参数8个平滑函数参数(在3.0版本中)53第53页/共90页飞利浦MOSFET模型(Level=50)共有72个模型参数.最适合于对模拟电路进行模拟.54第54页/共90页不同MOSFET模型应用场合Level1简单MOSFET模型Level22m器件模拟分析Level30.9m器件数字分析BSIM10.8m器件数字分析BSIM20.3m器件模拟与数字分析BSIM30.5m器件模拟分析与0.1m器件数字分析Level=6亚微米离子注入器件Level=50 小尺寸器件模拟电路分析Level=11 SOI器件对电路设计工程师来说,采用什么模型参数在很大程度上还取决于能从

11、相应的工艺制造单位得到何种模型参数.55第55页/共90页例.MODELCMOSNNMOS(LEVEL=49+VERSION=3.1TNOM=27TOX=7.6E-9+XJ=1E-7NCH=2.3579E17VTH0=0.5085347+K1=0.5435268K2=0.0166934K3=2.745303E-3+K3B=0.6056312W0=1E-7NLX=2.869371E-7+DVT0W=0DVT1W=0DVT2W=0+DVT0=1.7544494 DVT1=0.4703288 DVT2=-0.0394498+U0=489.0696189 UA=5.339423E-10 UB=1.54

12、8022E-18+UC=5.795283E-11VSAT=1.191395E5 A0=0.8842702+AGS=0.1613116B0=1.77474E-6B1=5E-6+KETA=5.806511E-3A1=0A2=156台积电公司某一批0.35mCMOS工艺NMOS器件的Star-HSpice参数(命名为CMOSN的NMOS模型库Spice文件)第56页/共90页57+RDSW=1.88264E3PRWG=-0.105799PRWB=-0.0152046+WR=1WINT=7.381398E-8LINT=1.030561E-8+XL=-2E-8XW=0DWG=-1.493222E-8+D

13、WB=9.792339E-9VOFF=-0.0951708NFACTOR=1.2401249+CIT=0CDSC=4.922742E-3CDSCD=0+CDSCB=0ETA0=2.005052E-3ETAB=5.106831E-3+DSUB=0.2068625PCLM=1.9418893PDIBLC1=0.2403315+PDIBLC2=5.597608E-3PDIBLCB=-4.18062E-4DROUT=0.5527689+PSCBE1=4.863898E8 PSCBE2=1.70429E-5PVAG=1.0433116+DELTA=0.01MOBMOD=1PRT=0+UTE=-1.5KT

14、1=-0.11KT1L=0+KT2=0.022UA1=4.31E-9UB1=-7.61E-18例(续1)第57页/共90页58+UC1=-5.6E-11AT=3.3E4WL=0+WLN=1WW=-1.22182E-15WWN=1.137+WWL=0LL=0LLN=1+LW=0LWN=1LWL=0+CAPMOD=2XPART=0.4CGDO=1.96E-10+CGSO=1.96E-10CGBO=0CJ=9.384895E-4+PB=0.7644361MJ=0.3394296CJSW=2.885151E-10+PBSW=0.8683237MJSW=0.1808065PVTH0=-0.0101318

15、+PRDSW=-159.9288563 PK2=-9.424037E-4WKETA=4.696914E-3+LKETA=-6.965933E-3PAGS=0.0718NQSMOD=1+ELM=5)*ENDCMOSN例(续)第58页/共90页596.1 无源器件结构及模型无源器件结构及模型6.2 二极管电流方程及二极管电流方程及SPICE模型模型6.3 双极晶体管电流方程及双极晶体管电流方程及SPICE模型模型6.4 结型场效应管结型场效应管JFET模型模型6.5 MESFET模型模型6.6 MOS管电流方程及管电流方程及SPICE模型模型6.7 SPICE数模混合仿真程序的设计流程及方法数模混

16、合仿真程序的设计流程及方法第六章 集成电路器件及SPICE模型第59页/共90页采用SPICE的电路设计流程第60页/共90页电路元件的SPICE输入语句格式 标题、结束和注释语句标题语句必须出现在输入文件的第一行，例如LowNoiseAmplifier或TestCircuit结束语句必须在输入文件的最后一行，标记文件结束.END注释语句用于对文件功能进行说明，以“*”开头*Thisisafeedbackresistor.第61页/共90页电路元件的SPICE输入语句格式 基本元件语句基本元件（除二极管、晶体管、场效应管）包括电阻R电容C电感L互感M无耗传输线线性电压控制电流/电压源线性电流控

17、制电流/电压源独立电源（PULSESINEXPPWLSFFM）第62页/共90页电阻电阻元件的SPICE输入语句格式 格式RxxxxN1N2ValueTC=TC1Rxxxx电阻标识，如R230、RCE等N1、N2电阻的两个连接结点标号Value电阻值，可以采用比例缩写因子TC1、TC2一次、二次温度系数例RB15181MEGTC=0.0012,0.0002R2520233.9KTC=0.001RS15100第63页/共90页电容电容元件的SPICE输入语句格式 格式CxxxxN+N-ValueCxxxx电容标识，如C230、CBE等N+、N-电容的正、负连接结点标号Value电容值，可以采用比

18、例缩写因子Incond测试电压值例CB15181UFIC=10VC25202319PF第64页/共90页非线性电容非线性电容元件的SPICE输入语句格式 格式CxxxxN+N-POLYC0C1C2Cxxxx电容标识，如C230、CBE等N+、N-电容的正、负连接结点标号C0、C1多项式系数Incond测试电压值例CB1518POLY1P0.2P0.01PIC=10V第65页/共90页电感电感元件的SPICE输入语句格式 格式LxxxxN+N-ValueLxxxx电感标识，如L230、LCE等N+、N-电感的正、负连接结点标号Value电感值，可以采用比例缩写因子Incond测试电流值例LB15

19、181MHIC=1MAL25202319U第66页/共90页非线性电感非线性电感元件的SPICE输入语句格式 格式LxxxxN+N-POLYL0L1L2Lxxxx电感标识，如L230、LCE等N+、N-电感的正、负连接结点标号L0、L1多项式系数Incond测试电流值例LD1518POLY10U1U2NIC=1MA第67页/共90页互感互感元件的SPICE输入语句格式 格式KxxxxLyyyyLzzzzValueKxxxx互感标识，如K230、KB等Lyyyy、Lzzzz两个互相耦合的电感名Value互感值（0,1）例K43L3L40.82KINLSLIN0.9第68页/共90页理想传输线理想

20、传输线的SPICE输入语句格式 格式TxxxxN1N2N3N4Z0=Value1F=FreqTxxxx传输线标识，如T230、TCE等N1、N2、N3、N4两个端口结点标号Value1传输线特性阻抗值Value2传输线延迟值Freq频率Nrmlen归一化电长度(对波长)例TS1050Z0=50TD=100P第69页/共90页线性电压控制受控源线性电压控制受控源的SPICE输入语句格式 格式G/ExxxxN+N-NC+NC-VlalueG/Exxxx受控电流/压源标识，如G30、EB等N+、N-受控源的正负两个输出连接结点标号NC+、NC-控制端口的正负连接结点标号Value控制系数2（跨导、电

21、压增益）例G1220101.8ME33021050第70页/共90页线性电流控制受控源线性电流控制受控源的SPICE输入语句格式 格式F/HxxxxN+N-VnameVlalueF/Hxxxx受控电流/压源标识，如F3、H2等N+、N-受控源的正负两个输出结点标号Vname控制电流支路电压源标识Value控制系数（电流增益、转移电阻）例F21518VS2H52023VBE3.9K第71页/共90页直流独立电压直流独立电压/流源流源的SPICE输入语句格式 格式V/IxxxxN+N-DC/TranValueV/Ixxxx独立电压/流源标识，如V3、I2等N+、N-电源的正负两个输出结点标号DC/

22、TranValue 直流和瞬态值，0值可略例VCC150DC12VIS521M第72页/共90页正弦信号源正弦信号源的SPICE输入语句格式 格式V/IxxxxN+N-SIN(V0VAFreqTDTheta)V/Ixxxx信号电压/流源标识，如V3、I2等N+、N-电源的正负两个输出结点标号V0/VA/Freq/TD/Theta直流分量/交流幅度/频率/延迟时间/衰减系数例VIN50SIN(0510MEG1P0)第73页/共90页脉冲信号源脉冲信号源的SPICE输入语句格式 格式V/IxxxxN+N-PULSE(V1V2TDTRTFPWPER)V/Ixxxx信号电压/流源标识，如V3、I2等N

23、+、N-电源的正负两个输出结点标号V1/V2/TD/TR/TF/PW/PER初值/幅值/延迟时间/上升时间/下降时间/脉宽/周期例VIN50PULSE(0505N10N20N1M)第74页/共90页其它信号源其它信号源指数波EXP(V1V2TD1TAU1TD2TAU2)分段线性波PWL(T1V1T2V2T3V3)单频调频波SFEM(V0VAFCMDIFS)第75页/共90页半导体器件器件常常用一套器件模型参数来进行定义。因此，需要用一条独立的.MODEL语句来定义一套器件模型参数,并指定一个专用的模型名。然后，SPICE中的器件描述语句就可以引用这个模型名。二极管D双极结型晶体管BJT结型场效

24、应管JFET与MESFETMOSFETMESFET第76页/共90页二极管二极管的SPICE输入语句格式 格式DxxxxN+N-MnameIC=VD)Dxxxx二极管标识，如D3、DB等N+、N-二极管的正负结点标号Mname模型名Area面积因子，缺省值1OFFDC分析的ON/OFF起始条件，省却值为ON.VDAC分析的初始条件例D101318Diode2.00.1IC=0.3第77页/共90页双极性三极管双极性三极管的SPICE输入语句格式 格式QxxxxNCNBNEMnameIC=VBE,VCE)Qxxxx三极管标识，如Q3、Q10等NC、NB、NE三极管的三个电极结点标号Mname模型

25、名Area面积因子，缺省值1OFFDC分析的ON/OFF起始条件，省却值为ON.VBE、VCEAC分析的初始条件例Q12121318QmodIC=0.6,3.0第78页/共90页JFET/MESFET的SPICE输入语句格式 格式J/ZxxxxNDNGNSMnameIC=VDS,VGS)J/ZxxxxJFET/MESFET标识，如J3、Z10等ND、NG、NS漏、栅、源极结点标号Mname模型名Area面积因子，缺省值1OFFDC分析的ON/OFF起始条件，省却值为ON.VDS、VGSAC分析的初始条件例J2246JmodIC=0.6,3.0第79页/共90页MOSFET的SPICE输入语句格

26、式Mxxxnd ng nsmnameMxxxMOSFET元件名.nd,ng,ns,nb漏,栅,源和衬底的节点名mname模型名,必须引用一个MOSFET模型.L沟道长度,省却值为100W沟道宽度,省却值为100AD、AS漏和源扩散结面积,省却值为0PD、PS漏和源扩散结周长,省却值为0第80页/共90页MOSFET的SPICE元件输入格式NRD、NRS计算电阻用的漏和源扩散方块数,省却值为0OFFDC分析的ON/OFF起始条件，省却值为ON.IC初始电压条件.TEMP器件工作温度,单位为C.M乘积因子,省却值为1.GEO漏/源几何尺寸分摊数,省却值为0.第81页/共90页模型语句模型语句的通用

27、格式为：.MODELMnameTypePname1=P1,Pname2=P2,Mname模型名称Type模型类型（D、NPN、PNP、NJF、PJF、NMOS、PMOS）Pname1、Pname2参数名（由Spice规定）P1、P2参数值例句:.MODELMODE1NPNBF=50,IS=1E-13,VBF=50.MODELMODE2PNPBF=100,IS=1E-12,VBF=30第82页/共90页模型语句二极管模型双极结型晶体管BJT模型结型场效应JFET(NJF/PJF)模型MESFET(NMF/PMF)模型（SPICE3.X）MOSFET模型第83页/共90页子电路描述语句子电路的定义

28、格式为：.SUBCKTSubName（N1,N2,）.ENDSSubName子电路的调用格式为：XCallName（N1,N2,）SubName注意，调用结点的对应。例句:X1241731MULTI7.3输入语句格式第84页/共90页分析控制语句初始节点电压设置.NODESETV(NODENUM)=VALV(NODENUM)=VAL初始条件设置.ICV(NODENUM)=VALV(NODENUM)=VAL输出控制.PRINTPRTTYPE OUTVAR1重置参数.OPTIONSOPT1 OPT2.OPTIONSOPT=VAL第85页/共90页SPICE电路输入文件举例例4:RTL反相器SIMP

29、LERTLINVERTERVCC405VIN10PULSE052NS2NS2NS30NSRB1210KQ1320Q1RC341K.MODELQ1NPNBF20RB100TF.1NSCJC2PF.DCVIN050.1.TRAN1NS100NS.END第86页/共90页SPICE格式的电路图编辑用Cadence公司Schemetic画的CMOS差动放大器电路图 第87页/共90页SPICE应用经验一个电路的Z参数可以通过以下办法获得两个子电路通过相同的网表文件，但是以互换的输入输出端口来定义；在每个电路的输入端输入一个单位幅度的交流信号，输出端开路；四个端口的电压可以用相同单位的输出变量在复平面或极坐标系中表示出来。经过模拟之后，电路的Z参数就得到了。Y参数，H参数，和其它参数都可以通过类似的方法得到。通过得到的Z参数和其它参数，电路的S参数就可以通过它们的相互转换关系得到。第88页/共90页本章练习P.107 思考题-2P.107 思考题-3P.107 思考题-4P.108 思考题-8P.108 思考题-10P.108 思考题-12P.108 思考题-14第89页/共90页感谢您的观看！第90页/共90页