第6章 集成电路器件及SPICE模型

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

6.1 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

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 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

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

图 (a)单线和U-型电阻结构 (b)它们的等效电路 阻值计算 最小宽度 图 (a)单线和U-型电阻结构 (b)它们的等效电路

1. 栅、漏短接并工作在饱和区的MOS有源电阻 图6.2　栅漏短接的MOS有源电阻及其I-V曲线 Ron 直流电阻 Ron>交流电阻 rds

2. VGS保持不变的饱和区有源电阻 图6.3 饱和区的NMOS有源电阻示意图 直流电阻 Ron<交流电阻 rds

对于理想情况，Oˊ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。

总结： 有源电阻的几种形式 ( a ) ( d ) 和 ( c ) 直流电阻 Ron<交流电阻 rds ( b )和( e ) 直流电阻 Ron>交流电阻 rds

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； 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；

图6.5 (a)叉指结构电容和(b)MIM 结构电容

电容 平板电容公式 高频等效模型 自谐振频率 f0 品质因数 Q f < f0 / 3

6.1.4 电感 引言 集总电感 a，w 取微米单位 单匝线圈版图

多匝螺旋形线圈电感值计算公式为： 式中：ri=螺旋的内半径，微米， r0=螺旋的外半径，微米， N=匝数。

电感 电感精度：电感模型

传输线电感 获得单端口电感的另一种方法是使用长度l<l/4λ波长的短电传输线(微带或共面波导)或使用长度在l/4λ< l<l/2λ范围内的开路传输线。 短路负载： 开路负载： 双端口电感与键合线电感

6.1.5 分布参数元件 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。

图 典型微带线的剖面图(a)和覆盖钝化膜的微带线(b)

TEM波传输线的条件 GaAs衬底的厚度<200um

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。 阻抗计算 微带线的衰减α由两部分组成：导线损耗和介质损耗 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/h>1 w/h<1

图 常规共面波导(a)与双线共面波导(b) 共面波导(CPW) (a) (b) 图 常规共面波导(a)与双线共面波导(b)

CPW传输TEM波的条件 CPW的阻抗计算 由ZL计算CPW的宽度W: 对应于厚衬底 / 薄衬底有效介电常数有变化 CPW的衰减计算

相对于微带线，CPW的优点是： 1）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。 2）在相邻的CPW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。 3）比金属孔有更低的接地电感。 4）低的阻抗和速度色散。 CPW的缺点是： 1）衰减相对高一些，在50GHz时，CPW的衰减是0.5dB/mm; 2）由于厚的介质层，导热能力差，不利于大功率放大器的实现。

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）

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PN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P型，另一部分区域为N型，则在其交界面就形成了PN结。 以PN结构成的二极管的最基本的电学行为是具有单向导电性。

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， 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。

表6. 1 二极管模型参数对照表

6.2.2 二极管的噪声模型 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 6.2.2 二极管的噪声模型 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：

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）

6.3 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）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。

图6.10 EM直流模型

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。

图6.11 EM2模型

图6.12 EM小信号等效电路

表6.2 双极型晶体管部分模型参数在SPICE 中的符号名称

GP模型是1970年由H．K．Gummel和H．C．Poon提出的。 GP模型对EM2模型在以下几方面作了改进： 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β随电流和电压的变化。 2.交流特性：考虑了正向渡越时间τF随集电极电流IC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fT和IC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。 4.考虑了模型参数和温度的关系。 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储引起的准饱和效应。

图6.13 GP直流模型

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。

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）

N沟JFET的结构示意图和电路符号

结型场效应 JFET ( NJF/PJF ) 模型 JFET模型源于Shichman和Hodges给出的FET模型。其直流特性由反映漏极电流随栅极电压变化的参数 VTO和BETA、确定输出电导的参数LAMBDA和栅-源结与栅-漏结饱和电流的参数IS共同描述。包含了RD和RS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-源与栅-漏两个结的非线性耗尽层电容模拟，参数为CGS，CGD和PB。

表6.3 JFET的SPICE模型参数

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）

MESFET模型源于Statz等给出的GaAs模型 其直流特性由反映漏极电流随栅极电压变化的参数VTO、B和BETA，并由确定饱和电压的参数ALPHA和确定输出电导的参数LAMBDA共同描述，表达式为 模型 包含了RD和RS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-源与栅-漏两个结的非线性耗尽层电容模拟，参数为CGS，CGD和PB。

表6.4 MESFET的SPICE模型参数

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）

SPICE集成电路分析程序与MOSFET模型 HSpice中常用的几种MOSFET模型 Level=1 Shichman-Hodges Level=2 基于几何图形的分析模型 Grove-Frohman Model (SPICE 2G) Level=3 半经验短沟道模型 (SPICE 2G) Level=49 BSIM3V3BSIM, 3rd, Version 3 Level=50 Philips MOS9

MOSFET一级模型(Level=1) 描述I和V的平方率特性, 它考虑了衬底调制效应和沟道长度调制效应. 非饱和区 饱和区 KP=µ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

MOSFET一级模型(Level=1) (续) MOSFET的阈值电压Vto本质上由栅级上的电 荷, 绝缘层中的电荷和沟道区电荷之间的平衡 决定 的, 表达式为: VTO是 Vbs=0时的阈值电压 Vbs是衬底到源区的偏压 为体效应阈值系数, 它反映了Vto随衬-源偏置 Vbs的变化, 表达式为:

MOSFET一级模型(Level=1)(续) NSUB为衬底(阱)掺杂浓度, 它也决定了体内费米势F 当半导体表面的费米势等于F时,半导体表面处于强反型, 此时表面势 PHI=2F n型反型层 PHI>0, p型反型层 PHI<0 VFB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. VFB = MS  QSS/COX

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=qNSS NSS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, PHI0.6V N沟道硅栅耗尽型MOSFET: VFB -0.60.8V 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率.

MOSFET一级模型直流特性涉及的模型参数 VTO VTO 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 PHI 2F 强反型使的表面势垒高度 LAMBDA  沟道长度调制系数 UO µo/µn 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 TOX TOX 栅氧化层厚度 TPG 栅材料类型 NSUB NSUB 衬底(阱)掺杂浓度 NSS NSS 表面态密度.

MOSFET一级模型直流特性涉及的模型参数 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. 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

MOSFET一级模型直流特性涉及的模型参数 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, Ib=Ibs + Ibd Iss= ASJS + PSJSSW Ids= ADJS + PDJSSW

MOSFET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。 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。

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:

MOSFET三级模型, 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.

MOSFET49级模型(Level=49, BSIM3V3) 模型考虑了 (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

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 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)

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.

不同MOSFET模型应用场合 Level 1 简单MOSFET模型 Level 2 2m 器件模拟分析 BSIM 1 0.8m 器件数字分析 BSIM 2 0.3m 器件模拟与数字分析 BSIM 3 0.5m 器件模拟分析与0.1m 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相应的工艺制造单位得到何种模型参数.

台积电公司某一批0.35m CMOS工艺NMOS器件的Star-HSpice参数(命名为CMOSN的NMOS模型库Spice文件) .MODEL CMOSN NMOS (LEVEL = 49 +VERSION = 3.1 TNOM= 27 TOX = 7.6E-9 +XJ = 1E-7 NCH = 2.3579E17 VTH0 = 0.5085347 +K1 = 0.5435268 K2 = 0.0166934 K3 = 2.745303E-3 +K3B = 0.6056312 W0 = 1E-7 NLX = 2.869371E-7 +DVT0W = 0 DVT1W = 0 DVT2W = 0 +DVT0 = 1.7544494 DVT1 = 0.4703288 DVT2 = -0.0394498 +U0 = 489.0696189 UA = 5.339423E-10 UB = 1.548022E-18 +UC = 5.795283E-11 VSAT = 1.191395E5 A0 = 0.8842702 +AGS = 0.1613116 B0 = 1.77474E-6 B1 = 5E-6 +KETA = 5.806511E-3 A1 = 0 A2 = 1

台积电公司某一批0.35m 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

台积电公司某一批0.35m 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

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）