第 6 章集成电路器件及 SPICE 模型

第第 66 章集成电路器件及章集成电路器件及SPICESPICE 模型模型

2

6.1 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6.5 MESFET 模型6.6 MOS 管电流方程及 SPICE 模型6.7 SPICE 数模混合仿真程序的设计流程及方法

3

6.1 6.1 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

4

6.1.1 6.1.1 互连线互连线互连线设计应该注意以下方面：互连线设计应该注意以下方面：大多数连线应该尽量短大多数连线应该尽量短最小宽度最小宽度保留足够的电流裕量保留足够的电流裕量多层金属多层金属趋肤效应和寄生参数（微波和毫米波）趋肤效应和寄生参数（微波和毫米波）寄生效应寄生效应

5

6.1.2 6.1.2 电阻电阻实现电阻有三种方式：实现电阻有三种方式： 1.1. 晶体管结构中不同材料层的片式电阻（不准晶体管结构中不同材料层的片式电阻（不准

确）确）2.2. 专门加工制造的高质量高精度电阻专门加工制造的高质量高精度电阻 3.3. 互连线的传导电阻互连线的传导电阻

6

图图 (a)(a) 单线和单线和 U-U- 型电阻结构型电阻结构 (b)(b) 它们的等效电路它们的等效电路

• 阻值计算• 最小宽度

7

IDS

VTPVVGS

IOD

SG +

-

I

(b)

D

V

SG

IIDS

VTN V VGS

I O

(a)

V+

-

图 6.2 　栅漏短接的 MOS 有源电阻及其 I-V 曲线RRonon 2

TNoxn

ox

)(2

GS VVV

WLt

IV

V

)(11

TNoxn

ox

mDS

GS

DS

DSds GSGS VVW

LtgI

VIV

r VVVV

直流电阻直流电阻 RRonon> 交流电阻交流电阻 rrds

1. 栅、漏短接并工作在饱和区的 MOS 有源电阻

8

IDS

VTN

V

VGS

I>

o

oVDS

Ron

rds

图 6.3 　饱和区的 NMOS 有源电阻示意图直流电阻直流电阻 RRonon< 交流电阻交流电阻 rrds

条件： VGS 保持不变

2. VGS 保持不变的饱和区有源电阻

9

对于理想情况，对于理想情况， OˊOˊ 点的交流电阻应为无穷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。着漏源电压变大而变大。

10

D

S

(b)

D

S

(c)

D

S

VB

(a)

D

S

VB

(d)

D

S

(e)

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 RRon< 交流交流电阻电阻 rrds

( b )( b )和和 ( e ) ( e ) 直流电阻直流电阻 RRon> 交流电阻交流电阻 rrds

11

6.1.3 6.1.3 电容电容在高速集成电路中，有多种实现电容的在高速集成电路中，有多种实现电容的方法：方法：11 ）利用二极管和三极管的结电容；）利用二极管和三极管的结电容；22 ）利用图）利用图 6.5(a)6.5(a) 所示的叉指金属结构；所示的叉指金属结构；33 ）利用图）利用图 6.5(b)6.5(b) 所示的金属所示的金属 -- 绝缘体绝缘体 --金属金属 (MIM)(MIM) 结构；结构；44 ）利用）利用类似于类似于图图 6.5(b)6.5(b) 的多晶硅的多晶硅 // 金金属属 -- 绝缘体绝缘体 -- 多晶硅结构；多晶硅结构；

12

图图 6.5 (a)6.5 (a) 叉指结构电容和叉指结构电容和 (b)MIM (b)MIM 结结构电容构电容

13

电容电容平板电容公式平板电容公式高频等效模型高频等效模型自谐振频率自谐振频率 ff0 0

品质因数品质因数 QQ

LCf

21

0

dlwC r 0

f < f0 / 3

14

6.1.4 6.1.4 电感电感引言引言集总电感集总电感

单匝线圈版图

）（pH]2)/8[ln(26.1 waaL

a， w 取微米单位

15

式中：式中： rrii== 螺旋的内半径，微米，螺旋的内半径，微米， rr00== 螺旋的外半径，微米，螺旋的外半径，微米， N=N= 匝数。匝数。

)2860(4.25)(][

22

io

io

rrNrrpHL

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获得获得单端口单端口电感的另一种方法是使用长度电感的另一种方法是使用长度 l<l/4l<l/4λλ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 )) 或使用长或使用长度在度在 l/4l/4λλ< l<l/2< l<l/2λλ 范围内的开路传输线。范围内的开路传输线。

4/ 0'

0'0'0

'/ 2 tan 2 tanh 2

lclZlZlZL

双端口双端口电感与键合线电感电感与键合线电感

ltgjZlZ 0)( 短路负载：短路负载：

lctgjzz 0开路负载：开路负载：

18

6.1.5 6.1.5 分布参数元件分布参数元件集总元件和分布元件集总元件和分布元件随着工作频率的增加，一些诸如互连线的随着工作频率的增加，一些诸如互连线的 ICIC元件的尺寸变得很大，以致它们可以与传输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。定义为分布元件。

19

微带线微带线

(a) (b)图典型微带线的剖面图 (a) 和覆盖钝化膜的微带线(b)

20

TEMTEM 波传输线的条件波传输线的条件)40/(, 2/1

0 rhw

GaAs 衬底的厚度 <200um

21

微带线设计需要的电参数主要是阻抗、衰减、微带线设计需要的电参数主要是阻抗、衰减、无载无载 QQ 、波长、迟延常数。、波长、迟延常数。阻抗计算阻抗计算微带线的衰减微带线的衰减 αα 由两部分组成：导线损耗和由两部分组成：导线损耗和介质损耗介质损耗形成微带线的基本条件是，介质衬底的背面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。行波的电场主要集中在微带线下面的介质中。

hw

whZ

reffL 4

8ln60

6

144.042.2

120

wh

wh

hw

Z

reff

L

w/h<1 w/h>1

22

共面波导共面波导 (CPW)(CPW)

(a) (b)图常规共面波导 (a) 与双线共面波导

(b)

23

CPWCPW 传输传输 TEMTEM 波的条件波的条件 CPWCPW 的阻抗计算的阻抗计算

由由 ZZLL 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 CPWCPW 的衰减计算的衰减计算

)40/( 2/10 rd

wdZ

reffL 2ln120

dwdwZ

reffL /1

/12ln30 2

17.0dw 17.0

dw

24

相对于微带线，相对于微带线， CPWCPW 的优点是：的优点是：11 ）工艺简单，费用低，因为所有接地线均在上表面而不）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。需接触孔。22 ）在相邻的）在相邻的 CPWCPW之间有更好的屏蔽，因此有更高的集之间有更好的屏蔽，因此有更高的集成度和更小的芯片尺寸。成度和更小的芯片尺寸。33 ）比金属孔有更低的接地电感。）比金属孔有更低的接地电感。44 ）低的阻抗和速度色散。）低的阻抗和速度色散。 CPWCPW 的缺点是：的缺点是：11 ）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; 22 ）由于厚的介质层，导热能力差，不利于大功率放大器）由于厚的介质层，导热能力差，不利于大功率放大器的实现。的实现。

25

6.1 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6.5 MESFET 模型6.6 MOS 管电流方程及 SPICE 模型6.7 SPICE 数模混合仿真程序的设计流程及方法（见 CH06-2课件）

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6.2 二极管电流方程及 SPICE 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 PNPN结相互作用的结果，它是微电子器件的基础。如果结相互作用的结果，它是微电子器件的基础。如果通过某种方法使半导体中一部分区域为通过某种方法使半导体中一部分区域为 PP 型，另型，另一部分区域为一部分区域为 NN 型，则在其交界面就形成了型，则在其交界面就形成了 PNPN结。以结。以 PNPN 结构成的二极管的最基本的电学行为结构成的二极管的最基本的电学行为是具有单向导电性。是具有单向导电性。

27

ID

RS

Cj Cd

V

VD

+

-

+

_

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，称之为体电阻。

SDD RIVV

1

D

SDtVn

V

II e

qkTVt

AJI SS

m

0

Dj0j 1

VV

CC

t

TT Vn

IdVdI

dVdQC

D

D

D

Dd

ττ

28

表 6. 1 二极管模型参数对照表

29

6.2.2 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：

S

2n

4RkTAI

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：DD

2n 21 Iq

fIKFI AF

30


31

6.3 6.3 双极晶体管电流方程及双极晶体管电流方程及 SPICESPICE 模型模型 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 ）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

图图 6.10 EM6.10 EM 直流模型直流模型

IB

VBC

c

IC

αFIFIR

-

+

E

IE

αRIRIF

-

+

VBE

B

C

A

B

E

A’

NPN管

n

p

n

33

由于这种由于这种 EMEM 模型将电流增益作为频率的函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，所以改进的性不方便，所以改进的 EMEM 模型用了电荷控模型用了电荷控制观点，即增加电容到模型中。并进一步考制观点，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，于是得到集成电路中集电结对衬底的电容，于是得到EM2EM2 模型。模型。

34

图图 6.11 EM26.11 EM2 模型模型 C

RC Cjs

Ibe- Ibc

RE

E

BRB

Cbe

Cbc

BRIbc

BFIbe

35

图图 6.12 EM6.12 EM 小信号等效电路小信号等效电路 r

C

V

)( VgVg mRmF

V r C

CBBBr crC

+ -+

-

CJSro

ErE

E

B

36

表表 6.2 6.2 双极型晶体管部分模型参数在双极型晶体管部分模型参数在SPICESPICE

中的符号名称中的符号名称

37

GPGP 模型是模型是 19701970 年由年由 HH ．． KK ．． GummelGummel 和和HH．． CC ．． PoonPoon 提出的。提出的。 GPGP 模型对模型对 EM2EM2 模型在以下几方模型在以下几方面作了改进：面作了改进： 1.1. 直流特性：反映了集电结上电压的变化引起有效基区宽度直流特性：反映了集电结上电压的变化引起有效基区宽度变化的基区宽度调制效应，改善了输出电导、电流增益和特变化的基区宽度调制效应，改善了输出电导、电流增益和特征频率。反映了共射极电流放大倍数征频率。反映了共射极电流放大倍数 ββ 随电流和电压的变化。随电流和电压的变化。 2.2. 交流特性：考虑了正向渡越时间交流特性：考虑了正向渡越时间 ττFF 随集电极电流随集电极电流 IICC 的变的变化，解决了在大注入条件下由于基区展宽效应使特征频率化，解决了在大注入条件下由于基区展宽效应使特征频率 ffTT和和 IICC 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. 根据横向和纵向双极晶体管的不同，考虑了外延层电荷存根据横向和纵向双极晶体管的不同，考虑了外延层电荷存储引起的准饱和效应。储引起的准饱和效应。

38

C

E

E

F

CCI

R

ECIBBr

LEI

LCI

ECCCCT III

Er

B

Cr

C

'B

图图 6.13 GP6.13 GP 直流模型直流模型

39

图图 6.14 GP6.14 GP 小信号模型小信号模型 r

C

V

)( VgVg mRmF

V r C

CBBBr crC

+ -

+

-

CJS

ErE

E

B

go

jxC

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。

40


41

NN 沟沟 JFETJFET 的结构示意图和电路符的结构示意图和电路符号号D

S

G NP+ P+ A

42

结型场效应结型场效应 JFET ( NJF/PJF )JFET ( NJF/PJF ) 模模型型 JFETJFET 模型源于模型源于 ShichmanShichman 和和 HodgesHodges 给出的给出的

FETFET 模型。其直流特性由反映漏极电流随栅极电压模型。其直流特性由反映漏极电流随栅极电压变化的参数变化的参数 VTOVTO 和和 BETABETA 、确定输出电导的参数、确定输出电导的参数LAMBDALAMBDA 和栅和栅 -- 源结与栅源结与栅 -- 漏结饱和电流的参数漏结饱和电流的参数 ISIS共同描述。包含了共同描述。包含了 RDRD 和和 RSRS 两个欧姆电阻。其电两个欧姆电阻。其电荷存储效应由随结电压的平方根变化的栅荷存储效应由随结电压的平方根变化的栅 -- 源与栅源与栅 --漏两个结的非线性耗尽层电容模拟，参数为漏两个结的非线性耗尽层电容模拟，参数为CGSCGS，， CGDCGD和和 PBPB 。。

43

表表 6.3 6.3 JFETJFET的的 SPICESPICE 模型参数模型参数

44


45

MESFETMESFET 模型源于模型源于 StatzStatz 等给出的等给出的 GaAsGaAs 模型模型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、、 BB 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 和确定输出电导的参数和确定输出电导的参数LAMBDALAMBDA 共同描述，表达式为共同描述，表达式为

模型包含了模型包含了 RDRD和和 RSRS两个欧姆电阻。其电荷存储效应由随结电压两个欧姆电阻。其电荷存储效应由随结电压的平方根变化的栅的平方根变化的栅 -- 源与栅源与栅 -- 漏两个结的非线性耗尽层电容模拟，参漏两个结的非线性耗尽层电容模拟，参数为数为 CGSCGS，， CGDCGD和和 PBPB 。。

aVV

Va

VVbVV

I 30,)1(3

11)(1

)(dsds

3ds

Tgs

2Tgs

d

aVV

VVbVV

I 3,)1()(1

)(dsds

Tgs

2Tgs

d

46

表表 6.4 6.4 MESFETMESFET的的 SPICESPICE 模型参数模型参数

47


48

SPICESPICE 集成电路分析程序与集成电路分析程序与 MOSFETMOSFET模型模型HSpiceHSpice 中常用的几种中常用的几种 MOSFETMOSFET 模型模型Level=1Level=1 Shichman-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=49 BSIM3V3BSIM3V3BSIM, BSIM, 33rd, rd, VVersion ersion 33

Level=50Level=50 Philips MOS9Philips MOS9

49

MOSFETMOSFET 一级模型一级模型 ((Level=1)Level=1) 描述描述 II 和和 VV 的平方率特性的平方率特性 , , 它考虑了衬底调制效它考虑了衬底调制效应和沟道长度调制效应应和沟道长度调制效应 .. 非饱和区非饱和区饱和区饱和区 ds

2dsdstogsds V1V

21VVVI

ds2

togsds V1VV2

I

DLLWKP

LWKP

0

KP=µCox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

50

MOSFETMOSFET 一级模型一级模型 ((Level=1) Level=1) (( 续续 )) MOSFETMOSFET 的阈值电压的阈值电压 VVtoto本质上由栅级上的电本质上由栅级上的电荷荷 , , 绝缘层中的电荷和沟道区电荷之间的平衡决绝缘层中的电荷和沟道区电荷之间的平衡决定的定的 , , 表达式为表达式为 ::

VVTOTO 是是 VVbsbs=0=0 时的阈值电压时的阈值电压VVbsbs 是衬底到源区的偏压是衬底到源区的偏压为体效应阈值系数为体效应阈值系数 , , 它反映了它反映了 VVtoto 随衬随衬 -- 源偏置源偏置 VVbsbs的变化的变化 , , 表达式为表达式为 ::

FbsFTOto 2V2VV

FFFBTO 22VV

subosiox

Nq2C1

51

MOSFETMOSFET 一级模型一级模型 ((Level=1)Level=1)(( 续续 )) NNSUBSUB 为衬底为衬底 ((阱阱 ))掺杂浓度掺杂浓度 , , 它也决定了体内费米势它也决定了体内费米势 FF

当半导体表面的费米势等于当半导体表面的费米势等于 FF 时时 ,, 半导体表面处于强反型半导体表面处于强反型 , , 此时表面势此时表面势 PHI=2PHI=2FFnn 型反型层型反型层 PHI>0, pPHI>0, p 型反型层型反型层 PHI<0PHI<0 VVFBFB称之为平带电压称之为平带电压 , , 它是使半导体表面能带和体内能带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拉平而需在栅级上所加的电压 ..

MSMS 为栅金属与半导体硅的功函数之差除以电子电荷为栅金属与半导体硅的功函数之差除以电子电荷 . . 其数值与硅其数值与硅的掺杂类型的掺杂类型 , , 浓度以及栅金属材料有关浓度以及栅金属材料有关 ..

i

subtF n

NlnV

VFB = MS QSS/COX

52

MOSFETMOSFET 一级模型一级模型 ((Level=1)Level=1)(( 续续 )) 栅材料类型由模型参数栅材料类型由模型参数 TPGTPG决定决定 .. 栅氧化层与硅半导体的表面电荷密度栅氧化层与硅半导体的表面电荷密度 QQSSSS=qN=qNSSSS

NNSSSS 为表面态密度为表面态密度 , , 其模型参数为其模型参数为 NSSNSS..

NN 沟道硅栅增强型沟道硅栅增强型 MOSFET: MOSFET: VVFBFB -1.2V, -1.2V, PHIPHI0.6V0.6V

NN 沟道硅栅耗尽型沟道硅栅耗尽型 MOSFET: MOSFET: VVFBFB -0.6-0.60.8V0.8V 模型参数模型参数 LAMBDA(LAMBDA()) 为沟道长度调制系数为沟道长度调制系数 . . 其其物理意义为物理意义为 MOSFETMOSFET 进入饱和区后单位漏进入饱和区后单位漏 -- 源电源电压引起的沟道长度的相对变化率压引起的沟道长度的相对变化率 ..

53

MOSFETMOSFET 一级模型直流特性涉及的模型参一级模型直流特性涉及的模型参数数VTOVTO VVTOTO 衬底零偏置时源阈值电压衬底零偏置时源阈值电压KPKP 本征跨导参数本征跨导参数GAMMA GAMMA 体效应阈值系数体效应阈值系数PHI PHI 22FF 强反型使的表面势垒高度强反型使的表面势垒高度LAMBDALAMBDA 沟道长度调制系数沟道长度调制系数UOUO µ µoo/µ/µnn 表面迁移率表面迁移率LL 沟道长度沟道长度LDLD 沟道长度方向上横向扩散长度沟道长度方向上横向扩散长度WW 沟道宽度沟道宽度TOXTOX T TOXOX 栅氧化层厚度栅氧化层厚度TPGTPG 栅材料类型栅材料类型NSUBNSUB N NSUBSUB 衬底衬底 ((阱阱 ))掺杂浓度掺杂浓度NSS NSS NNSSSS 表面态密度表面态密度 ..

54

VTO, KP, GAMMA, PHI, LAMBDAVTO, KP, GAMMA, PHI, LAMBDA 是器件参数是器件参数 .. TOX, TPG, NSUB, NSSTOX, TPG, NSUB, NSS 是工艺参数是工艺参数 .. 若用户仅给出了工艺参数若用户仅给出了工艺参数 , , SPICESPICE会计算出相应的会计算出相应的器件参数器件参数 ..

MOSFETMOSFET 一级模型直流特性涉及的模型参一级模型直流特性涉及的模型参数数

IS: 衬底结饱和电流 (省缺值为 0)JS 衬底结饱和电流密度N: 衬底 PN 结发射系数AS: 源区面积PS: 源区周长AD: 漏区面积PD: 漏区周长JSSW: 衬底 PN 结侧壁单位长度的电流

55

上列上列 88 个参数用于计算个参数用于计算1) 1) 衬底电流衬底电流2) 2) 衬衬 --源源 PNPN 结漏电流结漏电流3) 3) 衬衬 --漏漏 PNPN 结漏电流结漏电流

其中其中 ,,

1eII tbs NV/Vssbs

1eII tbd NV/Vdsbd

MOSFETMOSFET 一级模型直流特性涉及的模型参一级模型直流特性涉及的模型参数数

Iss= ASJS + PSJSSWIds= ADJS + PDJSSW

Ib=Ibs + Ibd

56

MOSFETMOSFET 二级模型方程二级模型方程取消了渐变沟道近似分析法中的一些简化假设。取消了渐变沟道近似分析法中的一些简化假设。特别是在计算整体耗尽电荷时，考虑到了沟道电特别是在计算整体耗尽电荷时，考虑到了沟道电压的影响。压的影响。同时对基本方程进行一系列半经验性的修正同时对基本方程进行一系列半经验性的修正 , , 包包括表层载流子迁移率随栅极电压的变化括表层载流子迁移率随栅极电压的变化 , , 引入了引入了衬底掺杂拟合参数衬底掺杂拟合参数 NNAA ，，反映载流子速率饱和特性反映载流子速率饱和特性

的拟合参数的拟合参数 NNeffeff, , 确定亚阈值电压—电流特性曲确定亚阈值电压—电流特性曲线的斜率快速表面态匹配参数线的斜率快速表面态匹配参数 NNFSFS 等。等。

本质上也包括了短、窄沟道效应的相关方程。本质上也包括了短、窄沟道效应的相关方程。

57

MOSFETMOSFET 三级模型三级模型 ,, 半经验短沟道模型半经验短沟道模型 ((Level=3)Level=3)精确描述各种二级效应精确描述各种二级效应 , , 又节省计算时间又节省计算时间 ..计算公式中考虑了计算公式中考虑了

1 ) 1 ) 漏源电源引起的表面势垒降低而使阈值电压下降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的静电反馈效应 ..2 ) 2 ) 短沟道效应和窄沟道效应对阈值电压的影响短沟道效应和窄沟道效应对阈值电压的影响 ..3 ) 3 ) 载流子极限漂移速度引起的沟道电流饱和效应载流子极限漂移速度引起的沟道电流饱和效应4 ) 4 ) 表面电场对载流子迁移率的影响表面电场对载流子迁移率的影响 ..

沿沟道方向沿沟道方向 ((YY 方向方向 )) 的阈值电压半经验公式的阈值电压半经验公式 ::

)(2)(22)( YVVFYVVFVVYV bsFNbsFsDSFFBt

58

MOSFETMOSFET 三级模型三级模型 , , 半经验短沟道模型半经验短沟道模型((Level=3)(Level=3)( 续续 ))静电反馈系数静电反馈系数

ETAETA 是模拟静电反馈效应的经验模型参数是模拟静电反馈效应的经验模型参数 ..载流子载流子 ss随随 VVGSGS 而变化而变化THETATHETA称之为迁移率调制系数称之为迁移率调制系数 , , 是模型参数是模型参数 ..沟道长度调制减小量沟道长度调制减小量LL 的半经验公式为的半经验公式为 ::kk称之为饱和电场系数称之为饱和电场系数 , , 模型参数为模型参数为 KAPPAKAPPA..因此因此 , , MESFETMESFET 三级模型新引入的模型参数为三级模型新引入的模型参数为 ::ETA, THETA, KAPPAETA, THETA, KAPPA除此之外除此之外 , , MESFETMESFET 三级模型中的阈值电压三级模型中的阈值电压 , , 饱和电压饱和电压 , , 沟道调沟道调制效应和漏源电流表达式等都是半经验表达式制效应和漏源电流表达式等都是半经验表达式 ..

3ox

22

LC1015.8ETA

))0((11

TGSs VVTHETA

2XE

VVkX2XE

L2Dp

Dsatds2D

22Dp

59

MOSFETMOSFET4949级模型级模型 ((Level=49, Level=49, BSIM3V3BSIM3V3))

19951995年年 1010月月 3131日由加州柏克莱分校推出日由加州柏克莱分校推出 ..基于物理的基于物理的深亚微米深亚微米 MOSFETMOSFET 模型模型 . . 可用于模拟和数字电路模拟可用于模拟和数字电路模拟 ..模型考虑了模型考虑了(1)(1) 阈值电压下降阈值电压下降 ,,(2)(2) 非均匀掺杂效应非均匀掺杂效应 ,,(3)(3) 垂直电场引起的迁移率下降垂直电场引起的迁移率下降 ,,(4)(4) 载流子极限漂移速度引起的沟道电流饱和效应载流子极限漂移速度引起的沟道电流饱和效应 ,,(5)(5) 沟道长度调制沟道长度调制(6)(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馈效应 ..(7)(7) 衬底电流引起的体效应衬底电流引起的体效应(8)(8) 亚阈值导通效应亚阈值导通效应(9)(9) 寄生电阻效应寄生电阻效应

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共有共有 166(174)166(174) 个参数个参数 !! 6767个个 DC DC 参数参数 1313个个 AC AC 和电容参数和电容参数 22个个 NQSNQS 模型参数模型参数 1010 个温度参数个温度参数 1111个个WW和和 LL 参数参数 44 个边界参数个边界参数 44 个工艺参数个工艺参数 88 个噪声模型参数个噪声模型参数 4747 二极管二极管 , , 耗尽层电容和电阻参数耗尽层电容和电阻参数 88 个平滑函数参数个平滑函数参数 (( 在在 3.03.0 版本中版本中 ))

MOSFETMOSFET4949级模型级模型 ((Level=49, Level=49, BSIM3V3)BSIM3V3)

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飞利浦飞利浦MOSFETMOSFET 模型模型((Level=50)Level=50)

共有共有 7272 个模型参数个模型参数 .. 最适合于对模拟电路进行模拟最适合于对模拟电路进行模拟 ..

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不同不同 MOSFETMOSFET 模型应用场合模型应用场合Level 1Level 1 简单简单 MOSFETMOSFET 模型模型Level 2Level 2 22m m 器件模拟分析器件模拟分析Level 3Level 3 0.90.9m m 器件数字分析器件数字分析BSIM 1BSIM 1 0.80.8m m 器件数字分析器件数字分析BSIM 2BSIM 2 0.30.3m m 器件模拟与数字分析器件模拟与数字分析BSIM 3BSIM 3 0.50.5m m 器件模拟分析与器件模拟分析与 0.10.1m m 器件数字分析器件数字分析Level=6 Level=6 亚微米离子注入器件亚微米离子注入器件Level=50Level=50 小尺寸器件模拟电路分析小尺寸器件模拟电路分析 Level=11Level=11 SOISOI 器件器件对电路设计工程师来说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采用什么模型参数在很大程度上还取决于能从相应的工艺制造单位得到何种模型参数取决于能从相应的工艺制造单位得到何种模型参数 ..

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台积电公司某一批台积电公司某一批 0.350.35m CMOSm CMOS 工艺工艺NMOSNMOS 器件的器件的 Star-HSpiceStar-HSpice 参数参数 ((命名为命名为CMOSNCMOSN的的 NMOSNMOS 模型库模型库 SpiceSpice 文件文件 ))

..MODEL CMOSN NMOS (LEVELMODEL CMOSN NMOS (LEVEL = 49= 49+VERSION+VERSION = 3.1= 3.1 TNOM= 27TNOM= 27 TOXTOX = 7.6E-9= 7.6E-9+XJ+XJ = 1E-7= 1E-7 NCHNCH = 2.3579E17= 2.3579E17 VTH0VTH0 = 0.5085347= 0.5085347+K1+K1 = 0.5435268= 0.5435268 K2K2 = 0.0166934= 0.0166934 K3K3 = 2.745303E-= 2.745303E-

33+K3B+K3B = 0.6056312= 0.6056312 W0W0 = 1E-7= 1E-7 NLXNLX = 2.869371E-7= 2.869371E-7+DVT0W+DVT0W = 0= 0 DVT1WDVT1W = 0= 0 DVT2WDVT2W = 0= 0+DVT0+DVT0 = 1.7544494= 1.7544494 DVT1DVT1 = 0.4703288= 0.4703288 DVT2DVT2 = -0.0394498= -0.0394498+U0+U0 = 489.0696189= 489.0696189 UAUA = 5.339423E-10= 5.339423E-10UBUB = 1.548022E-= 1.548022E-

1818+UC+UC = 5.795283E-11= 5.795283E-11 VSATVSAT = 1.191395E5= 1.191395E5 A0A0 = 0.8842702= 0.8842702+AGS+AGS = 0.1613116= 0.1613116 B0B0 = 1.77474E-6= 1.77474E-6 B1B1 = 5E-6= 5E-6+KETA+KETA = 5.806511E-3= 5.806511E-3 A1A1 = 0= 0 A2A2 = 1= 1

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台积电公司某一批 0.35m CMOS 工艺 NMOS 器件的 Star-HSpice 参数 (命名为 CMOSN的 NMOS 模型库 Spice文件 )（续）

+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 = 1.2401249

+CIT = 0 CDSC = 4.922742E-3 CDSCD = 0+CDSCB = 0 ETA0 = 2.005052E-3 ETAB =

5.106831E-3+DSUB = 0.2068625 PCLM = 1.9418893 PDIBLC1 = 0.2403315+PDIBLC2 = 5.597608E-3 PDIBLCB = -4.18062E-4 DROUT = 0.5527689+PSCBE1 = 4.863898E8 PSCBE2 = 1.70429E-5 PVAG = 1.0433116+DELTA = 0.01 MOBMOD = 1 PRT = 0+UTE = -1.5 KT1 = -0.11 KT1L = 0+KT2 = 0.022 UA1 = 4.31E-9 UB1 = -7.61E-18

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台积电公司某一批 0.35m CMOS 工艺 NMOS 器件的 Star-HSpice 参数 (命名为 CMOSN的 NMOS 模型库 Spice文件 )（续）

+UC1 = -5.6E-11 AT = 3.3E4 WL = 0+WLN = 1 WW = -1.22182E-15 WWN = 1.137+WWL = 0 LL = 0 LLN = 1+LW = 0 LWN = 1 LWL = 0+CAPMOD = 2 XPART = 0.4 CGDO = 1.96E-10+CGSO = 1.96E-10 CGBO = 0 CJ =

9.384895E-4+PB = 0.7644361 MJ = 0.3394296 CJSW =

2.885151E-10+PBSW = 0.8683237 MJSW = 0.1808065 PVTH0 = -

0.0101318+PRDSW = -159.9288563 PK2 = -9.424037E-4 WKETA =

4.696914E-3+LKETA = -6.965933E-3 PAGS = 0.0718 NQSMOD = 1+ELM = 5 )*END CMOSN

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Documents

第 6 章 集成电路器件及 SPICE 模型

第 6 章集成电路器件及 SPICE 模型