晶体管的模型.ppt

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1、第五章第五章 集成无源器件及集成无源器件及SPICESPICE模型模型5.1 5.1 引言引言5.2 5.2 集成无源器件及集成无源器件及SPICESPICE模型模型5.3 5.3 二极管及其二极管及其SPICESPICE模型模型5.4 5.4 双极型晶体管及其双极型晶体管及其SPICESPICE模型模型5.5 5.5 MOSMOS场效应晶体管及其场效应晶体管及其SPICESPICE模型模型5.6 5.6 模型参数提取技术模型参数提取技术5.1 引言引言集成电路可以认为是由元器件组成的。集成电路可以认为是由元器件组成的。元件元件(Element)：如电阻、电容、电感等结构简单，性能：如电阻、电

2、容、电感等结构简单，性能可用一个简单方程描述的单元。可用一个简单方程描述的单元。器件器件(Device)：如晶体管一类结构相对复杂，性能要用：如晶体管一类结构相对复杂，性能要用多个方程才能描述的单元。从某种意义上来说，器件可以由多个方程才能描述的单元。从某种意义上来说，器件可以由多个元件构成。多个元件构成。元器件可以分为两大类：元器件可以分为两大类：1.无源器件无源器件:包括电阻、电容、电感、互连线、传输线包括电阻、电容、电感、互连线、传输线等。等。2.有源器件有源器件:各类晶体管。各类晶体管。集成电路模拟程序集成电路模拟程序SPICE(SPICE(Simulation Program wit

3、h Simulation Program with Integrated Circuit EmphasisIntegrated Circuit Emphasis )pSPICESPICE在集成电路的晶体管级模拟方面，成为工业标准在集成电路的晶体管级模拟方面，成为工业标准的模拟程序。的模拟程序。p集成电路设计工程，特别是模拟和模拟数字混合信号集集成电路设计工程，特别是模拟和模拟数字混合信号集成电路设计工程师必须掌握成电路设计工程师必须掌握SPICESPICE的应用。的应用。p本章我们将重点给出无源及有源集成元器件的本章我们将重点给出无源及有源集成元器件的SPICESPICE电电路模型和相应的模型

4、参数。路模型和相应的模型参数。5.2.1 薄层集成电阻器薄层集成电阻器集成电路中的电阻分为：集成电路中的电阻分为：1.1.无源电阻无源电阻通常是合金材料或采用掺杂半导体制作的电阻通常是合金材料或采用掺杂半导体制作的电阻 。2.有源有源电阻电阻 将晶体管进行适当的连接和偏置，利用晶体管的不同的将晶体管进行适当的连接和偏置，利用晶体管的不同的工作区所表现出来的不同的电阻特性来做电阻。工作区所表现出来的不同的电阻特性来做电阻。这两种电阻的工作原理、物理结构及器件模型都不相同，这两种电阻的工作原理、物理结构及器件模型都不相同，下面将分别加以讨论。下面将分别加以讨论。在平面工艺集成电路中，无论是有意设计

5、的无源电阻器件，在平面工艺集成电路中，无论是有意设计的无源电阻器件，还是无意设计但客观存在的寄生电阻，大都呈薄层形状。还是无意设计但客观存在的寄生电阻，大都呈薄层形状。掺杂多晶硅薄膜是一个很好的电阻材料，广泛应用于硅基掺杂多晶硅薄膜是一个很好的电阻材料，广泛应用于硅基集成电路的制造。集成电路的制造。同同MOSMOS管的栅极同时制作，阻值管的栅极同时制作，阻值一般为几十欧姆一般为几十欧姆。若要较高若要较高阻值，要通过增加第二层多晶硅来制作。阻值，要通过增加第二层多晶硅来制作。阻阻值值一一般为几百欧姆般为几百欧姆。特点：特点：p制作方便，应用广泛制作方便，应用广泛p仍有寄生电容仍有寄生电容1)1)

6、多晶硅薄膜电阻多晶硅薄膜电阻 不同掺杂浓度的半导体具有不同的电阻率，利用掺杂半导不同掺杂浓度的半导体具有不同的电阻率，利用掺杂半导体的电阻特性，可以制造电路所需的电阻器。体的电阻特性，可以制造电路所需的电阻器。根据掺杂方式，可分为：扩散电阻和离子注入电阻根据掺杂方式，可分为：扩散电阻和离子注入电阻。扩散电阻扩散电阻：对半导体进行热扩散掺杂而构成的电阻：对半导体进行热扩散掺杂而构成的电阻 u可制作可制作P P型掺杂电阻、型掺杂电阻、N N型掺杂电阻、沟道电阻等型掺杂电阻、沟道电阻等u特点：特点：p工艺简单且兼容性好工艺简单且兼容性好p精度稍差精度稍差2)2)掺杂半导体电阻掺杂半导体电阻离子注入电

7、阻离子注入电阻：对半导体进行离子注入掺杂而构成的电阻。：对半导体进行离子注入掺杂而构成的电阻。特点：特点：p阻值容易控制，精度较高阻值容易控制，精度较高p横向扩散小横向扩散小在在N N阱两端用阱两端用N+N+漏漏/源扩散做欧姆接触就形成源扩散做欧姆接触就形成N N阱电阻。阱电阻。在在P P阱两端用阱两端用P+P+漏漏/源扩散做欧姆接触就形成源扩散做欧姆接触就形成P P阱电阻。阱电阻。u特点：特点：p阱电阻阻值大，精度差。阱电阻阻值大，精度差。3)3)阱电阻阱电阻采用一些合金材料沉积在二氧化硅或其它介电材料表面，采用一些合金材料沉积在二氧化硅或其它介电材料表面，通过光刻形成电阻条。通过光刻形成电

8、阻条。常用的合金材料有：常用的合金材料有：p钽（钽（Ta)Ta)p镍铬（镍铬（Ni-Cr)Ni-Cr)p氧化锌氧化锌SnOSnO2 2p铬硅氧铬硅氧CrSiOCrSiO特点：特点：p较高的精度，公差可达到：较高的精度，公差可达到：0.01%0.01%1%1%p具有较低的温度系数和较大的电流承载能力具有较低的温度系数和较大的电流承载能力p但增加工艺和成本但增加工艺和成本4)4)合金薄膜电阻合金薄膜电阻薄层电阻的几何图形设计薄层电阻的几何图形设计形状选择依据：形状选择依据：p一般电阻采用窄条结构，精度要求高的采用宽条结构一般电阻采用窄条结构，精度要求高的采用宽条结构p小电阻采用直条形，大电阻采用折

9、线形小电阻采用直条形，大电阻采用折线形p高精度电阻采用长条串联形高精度电阻采用长条串联形方块电阻概念方块电阻概念薄层电阻图形尺寸的计算薄层电阻图形尺寸的计算方块电阻的几何图形方块电阻的几何图形 R材料材料最小值最小值典型值典型值最大值最大值互连金属互连金属0.050.070.1顶层金属顶层金属0.030.040.05多晶硅多晶硅152030硅硅-金属氧化物金属氧化物236扩散层扩散层1025100硅氧化物扩散硅氧化物扩散2410N阱（或阱（或P阱）阱）1k2k5k m MOS工艺中作为导电层的典型的薄层电阻阻值工艺中作为导电层的典型的薄层电阻阻值单位单位:/口口薄层电阻端头和拐角修正薄层电阻端

10、头和拐角修正不同电阻条宽和端头形状的端头修正因子不同电阻条宽和端头形状的端头修正因子 薄层薄层电阻温度系数电阻温度系数 电阻温度系数电阻温度系数TC(Temperature Coefficient)是指温度每是指温度每升高升高1时，阻值相对变化量：时，阻值相对变化量：在在SPICE程序中，考虑温度系数时，电阻的计算公式修正为：程序中，考虑温度系数时，电阻的计算公式修正为：薄层薄层电阻电阻射频等效电路射频等效电路芯片上的薄层电阻的射频芯片上的薄层电阻的射频双端口等效电路双端口等效电路：对于工作在几百兆以上的射频电路中的电阻，必须考虑其对于工作在几百兆以上的射频电路中的电阻，必须考虑其寄生效应。寄

11、生效应。衬底电位与分布电容衬底电位与分布电容为了防止为了防止PN结导通，衬底必须接一定的电位，使结导通，衬底必须接一定的电位，使PN结处结处于反偏状态。于反偏状态。对于掺杂半导体电阻，其衬底与电阻材料掺杂类型是相反对于掺杂半导体电阻，其衬底与电阻材料掺杂类型是相反的半导体。这样，电阻区和衬底就寄生了一个的半导体。这样，电阻区和衬底就寄生了一个PN结。结。这样这样PN结的存在，导至了寄生电容效应。下图为结的存在，导至了寄生电容效应。下图为BJT工工工艺中基区扩散电阻的等效模型例子。工艺中基区扩散电阻的等效模型例子。其他类型电阻，也可以用相似的方法等到双端口等效电路。其他类型电阻，也可以用相似的方

12、法等到双端口等效电路。有源电阻是指采用晶体管进行适当的连接并使其工作在一有源电阻是指采用晶体管进行适当的连接并使其工作在一定的状态，利用它的直流导通电阻和交流电阻作为电路中定的状态，利用它的直流导通电阻和交流电阻作为电路中的电阻元件使用的电阻元件使用双极型晶体管和双极型晶体管和MOS晶体管可以担当有源电阻。晶体管可以担当有源电阻。下面讨论以下面讨论以MOS器件作为有源电阻情况。器件作为有源电阻情况。有源电阻有源电阻MOSMOS管作为有源电阻有多种接法，下图是栅漏短接而形成的管作为有源电阻有多种接法，下图是栅漏短接而形成的MOS有源电阻及其有源电阻及其I-V曲线曲线。MOSMOS管的电流方程管的

13、电流方程(理想表达式理想表达式)：1.直流电阻：直流电阻：RonVGS=V 2.2.交流电阻：交流电阻：NMOS栅漏短接电阻表达式：栅漏短接电阻表达式：3.3.特点：特点：p其阻值不仅与工艺、管子尺寸有关，还与电压有关其阻值不仅与工艺、管子尺寸有关，还与电压有关p其阻值是非线性的其阻值是非线性的p交直流的阻值不一样交直流的阻值不一样p所占面积比其他电阻小很多所占面积比其他电阻小很多p不同的接法，表现出不同的特性不同的接法，表现出不同的特性有源电阻的几种形式：有源电阻的几种形式：另外一种接法处于饱和区另外一种接法处于饱和区NMOS的有源电阻示意图：的有源电阻示意图：DSVTNVGS在集成电路中，

14、有多种实现电容的方法：在集成电路中，有多种实现电容的方法：v金属金属-绝缘体绝缘体-金属金属(MIM)(MIM)结构的电容；结构的电容；v多晶硅多晶硅/金属金属-绝缘体绝缘体-多晶硅结构的电容；多晶硅结构的电容；v叉指金属结构的电容；叉指金属结构的电容；v利用二极管和三极管的利用二极管和三极管的PNPN结电容；结电容；vMOSMOS电容电容电容存在于任意两个在电气上被分开的导体之间电容存在于任意两个在电气上被分开的导体之间集成电路中的寄生电容包括集成电路中的寄生电容包括MOSMOS管的寄生电容以及由金属、管的寄生电容以及由金属、多晶硅和扩散区连线（常称为导电通路）形成的连线电容多晶硅和扩散区连

15、线（常称为导电通路）形成的连线电容在集成电路设计中应尽量避免使用电容器，因集成电容器在集成电路设计中应尽量避免使用电容器，因集成电容器的单位面积电容量的单位面积电容量C CA A比较小，达到一定的电容量要较大的比较小，达到一定的电容量要较大的面积面积集成电容器集成电容器(a)(a)叉指结构电容和叉指结构电容和(b)MIM(b)MIM 结构电容结构电容 4.4.1 4.4.1 平板电容平板电容SPICE程序中定义的电容元件以平板为标准，主要参数为：程序中定义的电容元件以平板为标准，主要参数为：电容值电容值CO、电容温度系数、高频寄生参数、电容温度系数、高频寄生参数。集成电路中可用多种材料结构的平

16、板电容。集成电路中可用多种材料结构的平板电容。制作在砷化镓半绝缘衬底上的制作在砷化镓半绝缘衬底上的MIMMIM电容结构如下图所示：电容结构如下图所示：考虑温度系数时，电容的计算式为：考虑温度系数时，电容的计算式为：对于高频和高速集成电路应用，电容不仅具有电容值的特对于高频和高速集成电路应用，电容不仅具有电容值的特征，而且会有一个并联寄生电导征，而且会有一个并联寄生电导G G、串联电感串联电感L L、电阻电阻R R以以及两电极的对地电容及两电极的对地电容C C1 1和和C C2 2。一个电容器的一个电容器的SPICESPICE模型最好模型最好用一个包含用一个包含6 6个元件的子电路来描述容。个元

17、件的子电路来描述容。对于对于GaAsGaAs衬底上的衬底上的MIMMIM电容，电容，G G代表由漏电流引起的损耗和代表由漏电流引起的损耗和半绝缘体衬底或绝缘层的介质损耗，在良好工艺情况下，半绝缘体衬底或绝缘层的介质损耗，在良好工艺情况下，G G可以忽略。可以忽略。电容模型等效电路电容模型等效电路随着工作频率的增高，串联电感的阻抗变得越来越高。达随着工作频率的增高，串联电感的阻抗变得越来越高。达到某一频率，到某一频率，C C与与L L变成串联谐掁回路，其固有的自谐掁频变成串联谐掁回路，其固有的自谐掁频率定义如下：率定义如下：此时，电容器的电容特性完全消失。这意味着任何电容仅此时，电容器的电容特性

18、完全消失。这意味着任何电容仅在低于在低于f fo o的频率上才会起电容作用。经验的准则是电容工的频率上才会起电容作用。经验的准则是电容工作在作在f fo o/3/3以下。以下。金属叉指结构电容金属叉指结构电容 叉指结构电容的优点是不需叉指结构电容的优点是不需额外的工艺额外的工艺根据给定的几何尺寸和工艺，根据给定的几何尺寸和工艺，就可计算出电容值就可计算出电容值叉指电容值可做到皮法量级叉指电容值可做到皮法量级两条金属线之间的电容可以认为是叉指电容的特例。当两条金属线之间的电容可以认为是叉指电容的特例。当线宽按比例减小，但为了尽可能保持线宽按比例减小，但为了尽可能保持RCRC常数不按比例增常数不按

19、比例增加而增加金属厚度时，金属连线之间的电容成份将变得加而增加金属厚度时，金属连线之间的电容成份将变得越来越大，电路设计中，必须给予高度重视。越来越大，电路设计中，必须给予高度重视。PNPN结电容结电容 突变突变PNPN结电容计算公式结电容计算公式:式中，式中，V VD D为为PNPN结偏置电压，正偏结偏置电压，正偏时取正号，反偏时取负号；时取正号，反偏时取负号；O O为为PNPN结内建势垒；结内建势垒；C Cjojo是是V VD D=0=0时的耗尽电容。时的耗尽电容。PN结电容是利用结电容是利用pn结反向时的势垒电容构成一个电容器，结反向时的势垒电容构成一个电容器，不需要额外的工艺。不需要额

20、外的工艺。所有的所有的PNPN结电容都是非线性的，是两端电压的函数。在大结电容都是非线性的，是两端电压的函数。在大信号线性放大器中，它会引起非线性失真，但在需要调整信号线性放大器中，它会引起非线性失真，但在需要调整频率和相位的谐掁放大器、移相器、压控振荡器中，可利频率和相位的谐掁放大器、移相器、压控振荡器中，可利用这种非线性。用这种非线性。任何任何PNPN结都有漏电流和从结面到金属连线有体电阻，故其品结都有漏电流和从结面到金属连线有体电阻，故其品质因数通常比较低质因数通常比较低。结电容的参数可采用二极管和晶体管结电容同样的方法进行结电容的参数可采用二极管和晶体管结电容同样的方法进行计算。计算。

21、电容值依赖于结面积，例如二极管和晶体管的尺寸。电容值依赖于结面积，例如二极管和晶体管的尺寸。PNPN结电容的结电容的SPICESPICE模型就直接运用相关二极管或三极管器件模型就直接运用相关二极管或三极管器件的模型。的模型。同双极型晶体管中的同双极型晶体管中的PN 结结 一样，一样，在结周围由于载流在结周围由于载流 子的扩散、漂移达到动态平子的扩散、漂移达到动态平 衡，而产生了耗尽层。衡，而产生了耗尽层。MOS的基本结构的基本结构两个两个PN结结：1）N型漏极与型漏极与P型衬底；型衬底；2）N型源极与型源极与P型衬底。型衬底。一个电容器结构一个电容器结构：栅极与栅极下面的区域形成一个电容器，是

22、栅极与栅极下面的区域形成一个电容器，是MOS管的核心。管的核心。MOS结构电容结构电容MOSFET的三个基本几何参数的三个基本几何参数v栅长栅长:Lv栅宽栅宽:Wv氧化层厚度氧化层厚度:tox MOS电容的组成电容的组成p在栅极电极下面有一层在栅极电极下面有一层SiOSiO2 2介质。介质。SiOSiO2 2下面是下面是P P型衬底，型衬底，衬底是比较厚的。最后，是一个衬底电极，它同衬底之衬底是比较厚的。最后，是一个衬底电极，它同衬底之间必须是欧姆接触。间必须是欧姆接触。p与平板电容和与平板电容和PNPN结电容都不相同，结电容都不相同，MOSMOS核心部分，即金属核心部分，即金属-氧化物氧化物

23、-半导体层结构的电容具有独特的性质。半导体层结构的电容具有独特的性质。p它的电容它的电容-电压特性取决于半导体表面的状态。电压特性取决于半导体表面的状态。p随着栅极电压的变化，表面可处于：随着栅极电压的变化，表面可处于：1.积累区积累区2.2.耗尽区耗尽区3.3.反型区反型区(a)物理结构物理结构 (b)电容与电容与Vgs的函数关系的函数关系 MOS电容的组成电容的组成1）当当V Vgsgs0 0时时(以以P P型衬底为例型衬底为例)，栅栅极极的的负负电电荷荷把把空空穴穴吸吸引引到到硅硅的的表表面面，致致使使表表面面处处于于积积累累区区。此此时时，栅栅极极的的半半导导体体构构成成电电容容的的一

24、一个个极极板板，N型型器器件件中中P型型衬衬底底的的高高浓浓度度空空穴穴积积累累层层构构成成电容的另一个极板。电容的另一个极板。由由于于积积累累层层直直接接和和衬衬底底相相连连，其其容容量可近似以平板电容公式来表示量可近似以平板电容公式来表示:式式中中 ox=0 SiO2=3.98.85410-14F/cm，栅极栅极-沟道间氧化层介电常数沟道间氧化层介电常数，Tox氧化层厚度，氧化层厚度，A=LW是栅极面积。是栅极面积。2)当当Vgs0时，栅极上的正电荷排斥了时，栅极上的正电荷排斥了Si中的空穴，在栅极下面中的空穴，在栅极下面的的Si表面上，形成了一个耗尽区。表面上，形成了一个耗尽区。耗尽区中

25、没有可以自由活动的载流子，只有空穴被赶走耗尽区中没有可以自由活动的载流子，只有空穴被赶走后剩下的固定的负电荷。这些束缚电荷是分布在厚度为后剩下的固定的负电荷。这些束缚电荷是分布在厚度为d的的整个耗尽区内，而栅极上的正电荷则集中在栅极表面。这说整个耗尽区内，而栅极上的正电荷则集中在栅极表面。这说明了明了MOS电容器可以看成两个电容器的串联。电容器可以看成两个电容器的串联。v以以SiO2为介质的电容器：为介质的电容器：v以耗尽层为介质的电容器：以耗尽层为介质的电容器：v总电容总电容C为为:v比原来的比原来的Cox要小些。要小些。3)若若Vgs再增大，排斥掉更多的空穴，吸引了更多的电子，使再增大，排

26、斥掉更多的空穴，吸引了更多的电子，使得，得，Si表面的电子浓度超过了空穴的浓度，半导体呈表面的电子浓度超过了空穴的浓度，半导体呈N型，型，这就是反型层。不过，它只是一种弱反型层。因为这时电这就是反型层。不过，它只是一种弱反型层。因为这时电子的浓度还低于原来空穴的浓度。子的浓度还低于原来空穴的浓度。4)当当Vgs增加，达到增加，达到VT值，值，Si表面的电子不仅抵消了空穴，成表面的电子不仅抵消了空穴，成为本征半导体，而且在形成的反型层中，电子浓度已达到为本征半导体，而且在形成的反型层中，电子浓度已达到原先的空穴浓度，这样的原先的空穴浓度，这样的 反型层就是强反型层。显反型层就是强反型层。显 然，

27、耗尽层厚度不再增加，然，耗尽层厚度不再增加，CSi也不再减小。这样，也不再减小。这样，就达到最小值就达到最小值Cmin。5)当当Vgs继续增大，反型层中电子的浓度增加，成了导电率相继续增大，反型层中电子的浓度增加，成了导电率相当高的导电层，所以低频时，栅极电容又恢复为当高的导电层，所以低频时，栅极电容又恢复为CO。但但P型衬底向反型层提供电子的能力是有限的，至使表面的电型衬底向反型层提供电子的能力是有限的，至使表面的电荷不能随快速变化的栅压而变化，所以，高频时栅极电容荷不能随快速变化的栅压而变化，所以，高频时栅极电容仍然和耗尽情况下的电容一样大。仍然和耗尽情况下的电容一样大。6)考虑频率影响时

28、，考虑频率影响时，MOS栅极的电容与栅极电压的函数关系栅极的电容与栅极电压的函数关系如下如下:近近20年年来来集集成成电电路路的的速速度度越越来来越越高高，射射频频集集成成电电路路(RFIC)已已经经有有了了很很大大发发展展，芯芯片片上上金金属属结结构构的的电电感感效效应应变变得得越越来来越越明明显，芯片电感的实现成为可能。显，芯片电感的实现成为可能。式中，式中，a为线圈半径，为线圈半径，单位为微米单位为微米w为导线宽度：单位为微米为导线宽度：单位为微米单匝线圈版图单匝线圈版图 单匝线圈单匝线圈集总电感集总电感其电感值计算公式为：其电感值计算公式为：电感电感多匝线圈多匝线圈式中：式中：ri=螺

29、旋的内半径，微米，螺旋的内半径，微米，r0=螺旋的外半径，微米，螺旋的外半径，微米，N=匝数。匝数。多匝螺旋形线圈电感值计算公式为：多匝螺旋形线圈电感值计算公式为：等效电路等效电路以砷化家和磷化铟为衬底以砷化家和磷化铟为衬底Cp表示引出电感互连线间的耦合电容表示引出电感互连线间的耦合电容R表示电感的电阻表示电感的电阻C1和和C2表示两引出端对地电容表示两引出端对地电容Cox表示两引出端绝缘层电容表示两引出端绝缘层电容以硅为衬底以硅为衬底2 22 2集成电路的互连：单片电路芯片上器件之间的互连集成电路的互连：单片电路芯片上器件之间的互连 芯片通过管座与系统的互连（通过引线芯片通过管座与系统的互连

30、（通过引线 键合工艺实现）键合工艺实现）芯片上器件之间的互连采用金属铝薄膜，先进的工艺采用铜芯片上器件之间的互连采用金属铝薄膜，先进的工艺采用铜布线布线通常依靠蒸发的方法在硅片表面形成均匀的薄膜，在反刻引通常依靠蒸发的方法在硅片表面形成均匀的薄膜，在反刻引线工艺后形成集成电路的互连线线工艺后形成集成电路的互连线互连线的版图设计是集成电路设计中的基本任务，在专门门互连线的版图设计是集成电路设计中的基本任务，在专门门阵列设计电路中甚至是唯一的任务。阵列设计电路中甚至是唯一的任务。互连线也是基本元件，除了有电阻外，还有寄生的电容和电互连线也是基本元件，除了有电阻外，还有寄生的电容和电感，在高速电路中

31、，这些寄生参数将产生损耗或延迟感，在高速电路中，这些寄生参数将产生损耗或延迟4.6 4.6 互连线互连线互连线设计中应注意的事项互连线设计中应注意的事项1.1.为了减少信号或电源引起的损耗以及为了减少芯片面积，为了减少信号或电源引起的损耗以及为了减少芯片面积，连线应尽量短；特别地，对传输高频信号的关键互连线，连线应尽量短；特别地，对传输高频信号的关键互连线，在版图设计中应按最小长度布线。在版图设计中应按最小长度布线。2.2.为了提高集成度，在传输电流非常微弱时（如为了提高集成度，在传输电流非常微弱时（如MOSMOS的栅的栅极），大多数互连线应以最小宽度布线。极），大多数互连线应以最小宽度布线。

32、3.3.在连接线要传输大电流时（如电源和地线），应估计其在连接线要传输大电流时（如电源和地线），应估计其电流容量并保留足够的裕量。电流容量并保留足够的裕量。4.4.制造工艺提供的多层金属布线可有效提高集成度。制造工艺提供的多层金属布线可有效提高集成度。5.5.在微波和毫米波电路中，特别注意互连线的在微波和毫米波电路中，特别注意互连线的c c和寄生参和寄生参数。数。6.6.互连线的寄生效应在某些场合可得到有效利用：利用传互连线的寄生效应在某些场合可得到有效利用：利用传导电阻实现低值电阻、两条共面或上下平行互连线间的导电阻实现低值电阻、两条共面或上下平行互连线间的电容作为微波或毫米波信号的旁路电容

33、等。电容作为微波或毫米波信号的旁路电容等。深亚微米阶段的互连线技术深亚微米阶段的互连线技术1.CMOS工艺发展到深亚微米阶段后，互连线的延迟已经工艺发展到深亚微米阶段后，互连线的延迟已经超过逻辑门的延迟，成为时序分析的重要组成部分。超过逻辑门的延迟，成为时序分析的重要组成部分。2.这时应采用链状这时应采用链状RC网络、网络、RLC网络或进一步采用传输网络或进一步采用传输线来模拟互连线。线来模拟互连线。3.为了保证模型的精确性和信号的完整性，需要对互连线为了保证模型的精确性和信号的完整性，需要对互连线的版图结构加以约束和进行规整。的版图结构加以约束和进行规整。思考题：思考题：P107 1P107

34、 1、2 2、3 3、6 6题题作业：作业：P107 4P107 4、5 5题题 5.3 二极管及其二极管及其SPICE模型模型实际的集成电路主要是由半导体器件组成的。在电路分析中常用实际的集成电路主要是由半导体器件组成的。在电路分析中常用到的是半导体器件的等效电路模型。到的是半导体器件的等效电路模型。半导体器件模型有：半导体器件模型有：1.1.器件的物理模型器件的物理模型 半导体器件的物理模型是从半导体的基本方程出发，并对器半导体器件的物理模型是从半导体的基本方程出发，并对器件的参数做一定的近似假设而得到的有解析表达式的数学模型。件的参数做一定的近似假设而得到的有解析表达式的数学模型。随着集

35、成电路集成度的提高，器件的结构、尺寸都在发生变随着集成电路集成度的提高，器件的结构、尺寸都在发生变化，器件的物理模型就越加复杂。例如对小尺寸器件要考虑各种化，器件的物理模型就越加复杂。例如对小尺寸器件要考虑各种二阶效应。当然对各种新器件就更需要建立新的物理模型来描述。二阶效应。当然对各种新器件就更需要建立新的物理模型来描述。在物理模型中经常包含有一些经验因子，目的是为了使模型在物理模型中经常包含有一些经验因子，目的是为了使模型与实验结果符合得更好。与实验结果符合得更好。模型中考虑的因素越多，与实际结果就越符合，但模型也就模型中考虑的因素越多，与实际结果就越符合，但模型也就越复杂，在电路模拟中耗

36、费的计算工作量就越大。越复杂，在电路模拟中耗费的计算工作量就越大。5.3 二极管及其二极管及其SPICE模型模型2.2.器件的等效电路模型器件的等效电路模型 半导体器件的等效电路模型是在特定的工作条件下，半导体器件的等效电路模型是在特定的工作条件下，把器件的物理模型用一组理想元件代替，用这些理想元件把器件的物理模型用一组理想元件代替，用这些理想元件的支路方程表示器件的物理模型。的支路方程表示器件的物理模型。半导体器件在不同的工作条件下，将有不同的等效电半导体器件在不同的工作条件下，将有不同的等效电路模型。例如一个器件的直流模型、交流小信号模型、交路模型。例如一个器件的直流模型、交流小信号模型、

37、交流大信号模型以及瞬态模型等是各不相同的。流大信号模型以及瞬态模型等是各不相同的。5.3 二极管及其二极管及其SPICE模型模型集成电路和半导体器件的各类特性都是集成电路和半导体器件的各类特性都是PN结相互作用的结果，结相互作用的结果，所以所以PN结是微电子器件的基础。结是微电子器件的基础。PNPN结的形成结的形成 P P型半导体和型半导体和N N型半导体在交界面处会形成了下图所示型半导体在交界面处会形成了下图所示的的PNPN结：结：PN结型二极管的伏安特性结型二极管的伏安特性 其中其中 5.2.1 5.2.1 二极管的电路模型二极管的电路模型二极管等效电路模型如右图所示：二极管等效电路模型如

38、右图所示：uV为端电压为端电压uVD为结电压为结电压uID为结二极管电流为结二极管电流uRS为体电阻，代表从外电极到为体电阻，代表从外电极到结的半导体材料的电阻结的半导体材料的电阻uCj为为PN结的势垒电容结的势垒电容uCd为为PN结的扩散电容结的扩散电容端电压端电压V V与结电压与结电压VD的关系是：的关系是：势垒电容势垒电容Cj：扩散电容扩散电容Cd：二极管在反向偏压很大时会发生击穿。专门设计在击穿状态二极管在反向偏压很大时会发生击穿。专门设计在击穿状态下工作的二极管称为齐纳二极管。但二极管的电流电压方程下工作的二极管称为齐纳二极管。但二极管的电流电压方程没有预示这种击穿，实际电路设计中需

39、借助没有预示这种击穿，实际电路设计中需借助SPICESPICE等模拟工等模拟工具来大致确定击穿电压值。具来大致确定击穿电压值。在低频下或直流分析中，二极管的特性可以直接由上述的在低频下或直流分析中，二极管的特性可以直接由上述的I-V特性表示。特性表示。但在但在高频下，考虑两电容的作用。高频下，考虑两电容的作用。参参 数数 名名公式中符号公式中符号SPICE中符号中符号单单 位位SPICE中默认值中默认值饱和电流饱和电流ISISA1.0E-14发射系数发射系数nN-1串联体电阻串联体电阻R RSRS0渡越时间渡越时间TTTSec0零偏势垒电容零偏势垒电容Cj0CJ0F0梯度因子梯度因子mM-0.

40、5PN结内建势垒结内建势垒V0VJV1二极管模型参数对照表二极管模型参数对照表 5.3.2 5.3.2 二极管的噪声模型二极管的噪声模型所谓电子噪声是指电子线路中某些元器件产生随机起伏的所谓电子噪声是指电子线路中某些元器件产生随机起伏的电信号。这些信号一般是与电子（或其它载流子）的电扰电信号。这些信号一般是与电子（或其它载流子）的电扰动相联系的。动相联系的。电子噪声一般包括：热噪声（白噪声）和半导体噪声。半电子噪声一般包括：热噪声（白噪声）和半导体噪声。半导体噪声包括散导体噪声包括散(弹弹)粒噪声、分配噪声、闪烁噪声（粒噪声、分配噪声、闪烁噪声（1/f1/f噪噪声）等。声）等。u热噪声热噪声(

41、thermal(thermal noise,Johnsonnoise,Johnson noise)noise)：在导体中由：在导体中由于带电粒子热骚动而产生的随机噪声。热噪声具有连续于带电粒子热骚动而产生的随机噪声。热噪声具有连续频谱，且当频率低到其量子现象已不再能忽略后，可看频谱，且当频率低到其量子现象已不再能忽略后，可看成是白噪声。成是白噪声。u散粒噪声散粒噪声(shot noise)(shot noise)：由于离散电荷的运动而形成电：由于离散电荷的运动而形成电流的现象所引起的随机噪声。流的现象所引起的随机噪声。u分配噪声：注入基区的少数载流子在基区的复合是随机分配噪声：注入基区的少数载

42、流子在基区的复合是随机的。从而使发射极电流的。从而使发射极电流 I IE E 分配成分配成 I IC C 和和 I IB B 而得到的而得到的 I IC C 也随着基区载流子复合数量的变化而变化。这种变化也随着基区载流子复合数量的变化而变化。这种变化引起的噪声称为分配噪声。引起的噪声称为分配噪声。u闪烁噪声闪烁噪声(flicker noise)(flicker noise)：在电流流过的媒质中，由：在电流流过的媒质中，由于该媒质的表面不规则性或其颗粒状性质而导致的随机于该媒质的表面不规则性或其颗粒状性质而导致的随机噪声。其电流噪声谱密度大致与频率倒数成正比例，故噪声。其电流噪声谱密度大致与频率

43、倒数成正比例，故又称又称1/f1/f噪声噪声(1/f noise)(1/f noise)。闪烁（闪烁（1/f）噪声和散粒噪声）噪声和散粒噪声：KF和和AF是噪声系数是噪声系数二极管的噪声模型二极管的噪声模型热噪声热噪声 ：5.4 5.4 双极型晶体管及其双极型晶体管及其SPICESPICE模型模型 双极型晶体管模型双极型晶体管模型：（1 1）EbersEbers-Moll-Moll（即（即EMEM）模型）模型:最简单的模型最简单的模型 EbersEbers和和MollMoll于于19541954年提出年提出 （2 2）Gummel-PoonGummel-Poon（即（即GPGP）模型）模型 G

44、ummelGummel和和PoonPoon 于于19701970年提出年提出基本的基本的EMEM模型：模型：由两个背靠背的二极管和两个电流源组成。假设正反由两个背靠背的二极管和两个电流源组成。假设正反向电流相互独立，在大注入时不适用。向电流相互独立，在大注入时不适用。pEMEM直流模型：直流模型：p与二极管的电流与二极管的电流-电压方程相类似的两个电压方程相类似的两个EM电流方程电流方程：p两个晶体管两个晶体管KVL和和KCL方程：方程：这四个独立的方程描述了双这四个独立的方程描述了双极型晶体管的特性极型晶体管的特性。其中其中IS、R、F和和Vt 模是型参数，表示模是型参数，表示 器件的特性，

45、器件的特性，IS晶体管传输饱和电晶体管传输饱和电 流；流；R 为共基极大信号反为共基极大信号反 向电流增益；向电流增益；F 为共基极大信号正为共基极大信号正 向电流增益；向电流增益；Vt 代表阈值电压。代表阈值电压。虽然虽然NPN晶体管常被设想为在两个晶体管常被设想为在两个N沟层之间夹着一个沟层之间夹着一个P型区的对称型三层结构。但与型区的对称型三层结构。但与MOS器件不同的是：集电区器件不同的是：集电区与发射区这两个电极不能互换。与发射区这两个电极不能互换。注意：注意：改进的改进的EM模型模型(EM2模型模型)改进的改进的EM模型用了电荷控制观点，考虑了电荷存储效应，模型用了电荷控制观点，考

46、虑了电荷存储效应，增加了电容增加了电容Cbe、Cbc、Cjs；考虑了欧姆电阻，增加了发射极、；考虑了欧姆电阻，增加了发射极、基极和集电极串联电阻。基极和集电极串联电阻。改进的改进的EM模型由模型由于电容及电阻，模型于电容及电阻，模型对晶体管直流特性的对晶体管直流特性的描述更精确，使饱和描述更精确，使饱和区及小信号下的直流区及小信号下的直流特性更符合实际；也特性更符合实际；也使交流和瞬态特性的使交流和瞬态特性的表征更为完善表征更为完善，适用，适用于大多数情况。于大多数情况。但只是一阶模拟但只是一阶模拟的模型，仍存在着一的模型，仍存在着一些局限性。些局限性。EM小信号等效电路小信号等效电路 gmF

47、：正向区跨导：正向区跨导r：输入电阻：输入电阻r0：输出电阻：输出电阻gmR：反向区跨导：反向区跨导r：集电极：集电极-基极电阻基极电阻C：基极：基极-集电极电容集电极电容CCS：集电极：集电极-衬底电容衬底电容C：发：发-基极等效电容基极等效电容双极型晶体管的双极型晶体管的GP模型模型 GP模型对模型对EM2模型作了以下几方面的改进模型作了以下几方面的改进：（1）直直流流特特性性，反反映映了了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电压的变化和电压的变化。（2）交交流流

48、特特性性，考考虑虑了了正正向向渡渡越越时时间间F随随集集电电极极电电流流IC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基基区区展展宽宽效效应应使使特特征征频频率率fT和和IC成反比的特性成反比的特性。（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）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）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储引起的准饱和效应存储引起的准饱和效应。GP直流模型直流模型 GP小信号模型小信号模型 GP GP小信号模型与小信号模型与EM

49、EM小信号模型十分一致，只是小信号参数小信号模型十分一致，只是小信号参数的值不同而已。的值不同而已。5.5 MOS5.5 MOS场效应晶体管及其场效应晶体管及其SPICESPICE模型模型MOSMOS管的理想电流方程分段表达式：管的理想电流方程分段表达式：MOSMOS管的理想电流方程管的理想电流方程统一统一表达式：表达式：MOSMOS管的结构尺寸缩小到亚微米范围后，多维的物理效应管的结构尺寸缩小到亚微米范围后，多维的物理效应和寄生效应使得对和寄生效应使得对MOSMOS管的模型描述带来了困难。模型越管的模型描述带来了困难。模型越复杂，模型参数越多，其模拟的精度越高。但高精度与模复杂，模型参数越多

50、，其模拟的精度越高。但高精度与模拟的效率相矛盾。拟的效率相矛盾。依据不同需要，常将依据不同需要，常将MOSMOS模型分成不同级别。模型分成不同级别。SPICESPICE中提供中提供了几种了几种MOSMOS场效应管模型，并用变量场效应管模型，并用变量LEVELLEVEL来指定所用的模来指定所用的模型。型。LEVELLEVEL1 MOS11 MOS1模型模型 ShichmanShichman-Hodges-Hodges模型模型LEVELLEVEL2 MOS22 MOS2模型模型 二维解析模型二维解析模型LEVELLEVEL3 MOS33 MOS3模型模型 半经验短沟道模型半经验短沟道模型LEVEL