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1、关于集成电路元器件及其模型关于集成电路元器件及其模型第一张，PPT共八十六页，创作于2022年6月基本要求基本要求v掌握集成电阻、集成电容和集成电感等无源掌握集成电阻、集成电容和集成电感等无源器件的器件的SPICE模型，模型，v掌握二极管的电路模型和噪声模型，掌握二极管的电路模型和噪声模型，v掌握双极型晶体管掌握双极型晶体管EM模型和模型和GP模型，模型，v掌握掌握MOS场效应晶体管的场效应晶体管的MOS1模型和模型和BSIM模型，模型，v了解模型参数的提取方法和基本原理了解模型参数的提取方法和基本原理 第二张，PPT共八十六页，创作于2022年6月内容提要内容提要v5.1 引言引言v5.2
2、集成无源元件及其集成无源元件及其SPICE模型模型v5.3 二极管及其二极管及其SPICE模型模型v5.4 双极型晶体管及其双极型晶体管及其SPICE模型模型v5.5 MOS场效应晶体管及其场效应晶体管及其SPICE模型模型v5.6 模型参数提取技术模型参数提取技术v5.7 本章小结本章小结第三张，PPT共八十六页，创作于2022年6月5.1 引引 言言v从电路的观点来看，集成电路可以认为是从电路的观点来看，集成电路可以认为是由由元器件元器件组成的。组成的。v所谓所谓元件（元件（Element）是电阻、电容和电感是电阻、电容和电感等结构简单，性能可用一个简单方程描述的等结构简单，性能可用一个简
3、单方程描述的单元。而单元。而器件（器件（Device）是晶体管类结构相是晶体管类结构相对复杂，性能要用多个方程才能描述的单元。对复杂，性能要用多个方程才能描述的单元。从某种意义上说，器件可以由多个元件构成。从某种意义上说，器件可以由多个元件构成。v器件器件可以由多个可以由多个元件元件构成。构成。第四张，PPT共八十六页，创作于2022年6月 在在设设计计电电路路的的时时候候需需要要非非常常准准确确地地预预测测出出电电路路的的性性能能。为为了了做做到到这这一一点点，需需要要对对电电路路尽尽可可能能地地进进行行精精确确的的性性能能分分析析（Analysis）。因因为为集集成成电电路路元元器器件件无
4、无法法用用实实物物构构建建，必必须须首首先先建建立立器器件件模模型型，然然后后对对用用这这些些元元器器件件模模型型所所设设计计的的集集成成电电路路进进行行以以分分析析计计算算为为基基础础的的电电路路仿真（仿真（Simulation）。第五张，PPT共八十六页，创作于2022年6月 在在集集成成电电路路的的晶晶体体管管级级仿仿真真方方面面，SPICE是是主主要要的的电电路路仿仿真真程程序序，并并已已成成为为工工业业标标准准。因因此此，集集成成电电路路设设计计工工程程师师，特特别别是是模模拟拟和和数数字字混混合合信信号号集集成成电电路路设设计计工工程程师师必必须须掌掌握握SPICE的应用。的应用。
5、本本章章首首先先讨讨论论集集成成元元器器件件的的SPICE等等效效电电路模型路模型和和模型的主要参数模型的主要参数。第六张，PPT共八十六页，创作于2022年6月5.2 集成无源器件及其集成无源器件及其SPICE模型模型 v集集成成电电路路元元器器件件可可以以分分为为无无源源和和有有源源两两类类。无无源源元元件件包包括括电电阻阻、电电容容、电电感感、互互连连线线、传传输线等，输线等，有源器件有源器件就是各类晶体管。就是各类晶体管。v前前面面的的章章节节已已经经介介绍绍了了在在集集成成电电路路设设计计中中起起着着决决定定性性作作用用的的有有源源器器件件的的工工作作原原理理和和制制造造工工艺艺。事
6、事实实上上，利利用用这这些些工工艺艺，可可以以同同时时实实现现大大部分结构的无源元器件。部分结构的无源元器件。v下下面面将将对对电电阻阻、电电容容和和电电感感等等基基本本无无源源元元器器件的集成实现形式及其数学描述加以介绍。件的集成实现形式及其数学描述加以介绍。第七张，PPT共八十六页，创作于2022年6月一、集成电阻一、集成电阻vSPICE程序中有专用的语句定义程序中有专用的语句定义电阻元件电阻元件R，其主要参数为：其主要参数为：电阻值电阻值R0和和电阻温度系数电阻温度系数。高。高频应用时，电阻等效模型还需要考虑其频应用时，电阻等效模型还需要考虑其寄生电寄生电容容和和寄生电感值寄生电感值。v
7、下面首先介绍集成电阻的制造方法，然后讨下面首先介绍集成电阻的制造方法，然后讨论其论其版图几何图形设计版图几何图形设计、阻值计算阻值计算、温度系数温度系数以及以及高频等效电路模型高频等效电路模型。第八张，PPT共八十六页，创作于2022年6月v与标准集成电路工艺技术兼容的制造电阻的与标准集成电路工艺技术兼容的制造电阻的方法很多，但方法很多，但阻值和精度阻值和精度不同。不同。v常见的集成电阻有：常见的集成电阻有：v 多晶硅电阻多晶硅电阻、掺杂半导体电阻掺杂半导体电阻、N阱（或阱（或P阱）电阻阱）电阻、和、和合金电阻合金电阻等。等。集成电阻的类型集成电阻的类型第九张，PPT共八十六页，创作于2022
8、年6月1）多晶硅电阻）多晶硅电阻v与与CMOS，BiCMOS等硅基集成电路的制造等硅基集成电路的制造工艺兼容。工艺兼容。v被厚道氧化物包围，其阻值取决于掺杂浓度。被厚道氧化物包围，其阻值取决于掺杂浓度。vMOS柵极的多晶硅：重掺杂；柵极的多晶硅：重掺杂；v多晶硅电阻：轻掺杂。多晶硅电阻：轻掺杂。第十张，PPT共八十六页，创作于2022年6月v掺杂半导体具有电阻特性，且不同的掺杂浓掺杂半导体具有电阻特性，且不同的掺杂浓度具有不同的电阻率。度具有不同的电阻率。v根据掺杂方式：根据掺杂方式：扩散电阻扩散电阻和和离子注入电阻离子注入电阻。v扩散电阻是指对半导体进行热扩散掺杂而形扩散电阻是指对半导体进行
9、热扩散掺杂而形成的电阻：工艺简单（优点）；成的电阻：工艺简单（优点）；精度差精度差（缺（缺点）。点）。v离子注入电阻结构与扩散电阻类似，离子注入电阻结构与扩散电阻类似，精度高精度高。2）掺杂半导体电阻）掺杂半导体电阻第十一张，PPT共八十六页，创作于2022年6月扩散电阻结构示意图第十二张，PPT共八十六页，创作于2022年6月集成电阻的类型集成电阻的类型3）阱电阻）阱电阻 阱电阻有阱电阻有N阱或阱或P阱电阻两种。阱电阻的阱电阻两种。阱电阻的阻值大但阻值大但精度差精度差。4）合金电阻）合金电阻 常用的合金材料有：钽（常用的合金材料有：钽（Ta）、镍铬（）、镍铬（Ni-Cr）、）、氧化锌（氧化锌
10、（SnO2）和铬硅氧（）和铬硅氧（CrSiO）。）。具有具有较低的温度系数和较大的电流承载能力较低的温度系数和较大的电流承载能力，且，且 精度精度较高较高。第十三张，PPT共八十六页，创作于2022年6月集成电阻的几何图形设计集成电阻的几何图形设计 1）几何形状）几何形状 b 直直线宽线宽条条电电阻阻 c 弯折窄条弯折窄条电电阻阻a 直线窄条电阻直线窄条电阻e 分段弯折宽条电阻分段弯折宽条电阻d 弯折宽条电阻弯折宽条电阻第十四张，PPT共八十六页，创作于2022年6月选择电阻形状的依据：选择电阻形状的依据：v一般电阻采用窄条结构，精度要求高的采用一般电阻采用窄条结构，精度要求高的采用宽条结构；
11、宽条结构；小电阻采用直条形，大电阻采用小电阻采用直条形，大电阻采用折线形折线形。v在光刻工艺加工过程中，由于过于细长的条在光刻工艺加工过程中，由于过于细长的条状图形容易引起变形，同时考虑到版图布局状图形容易引起变形，同时考虑到版图布局等因素，对于高阻值的电阻通常等因素，对于高阻值的电阻通常采用弯折形采用弯折形的几何图案结构。的几何图案结构。v由于在拐角处的电流密度不均匀将产生误差，由于在拐角处的电流密度不均匀将产生误差，所以，高精度电阻也常采用所以，高精度电阻也常采用长条电阻串联长条电阻串联的的形式。形式。第十五张，PPT共八十六页，创作于2022年6月2）几何尺寸设计）几何尺寸设计在在电电阻
12、阻的的制制作作过过程程中中，由由加加工工引引起起的的误误差差，如如制制版版和和光光刻刻过过程程中中的的图图形形宽宽度度误误差差等等，会会使使电电阻阻的的实实际际尺尺寸寸偏偏离离设设计计尺尺寸寸，导导致致电电阻阻值值的的误误差差。电电阻阻条条图图形形的的宽宽度度w越越宽宽，相相对对误误差差w/w就就越越小小，反反之之则则越越大大。与与宽宽度度相相比比，长长度度的的相相对对误误差差l/l则则可可忽忽略略。因因此此，对对于于有有精精度度要要求求的的电电阻阻，其其宽宽度度选选择择不不仅仅要要考考虑能够承受的电流外，还要考虑精度要求虑能够承受的电流外，还要考虑精度要求。第十六张，PPT共八十六页，创作于
13、2022年6月集成电阻的阻值计算集成电阻的阻值计算 为为了了便便于于计计算算集集成成电电阻阻的的阻阻值值，人人们们引引入入了了方方块块电阻电阻的概念。的概念。图图5.3 方块电阻的几何图形方块电阻的几何图形第十七张，PPT共八十六页，创作于2022年6月表表5.1 0.51.0 m MOS工工艺艺中中导电层导电层材料的典型方材料的典型方块电块电阻阻值值 （单单位位:/口）口）材材 料料最小最小值值典型典型值值最大最大值值互互连连金属金属0.050.070.1顶层顶层金属金属0.030.040.05多晶硅多晶硅152030硅硅-金属氧化物金属氧化物236扩扩散散层层1025100硅氧化物硅氧化物
14、扩扩散散2410N阱（或阱（或P阱）阱）1k2k5k第十八张，PPT共八十六页，创作于2022年6月不同电阻条宽和端头形状的不同电阻条宽和端头形状的端头修正因子端头修正因子 第十九张，PPT共八十六页，创作于2022年6月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是指温度每升高是指温度每升高1时，阻值相时，阻值相对变化量。对变化量。在在SPICE程序中，考虑温度系数时，电阻的计程序中，考虑温度系数时，电阻的计算公式修正为算公式修正为第二十张，PPT共八十六页，创作于2022年6月集成电阻的集成电阻的高频双端口等效电路高频双端口等效电路 L为电阻引线与电阻条的电感，Cp为反映两电极之
15、间电场耦合的电容，C1和C2为两电极对地电容。第二十一张，PPT共八十六页，创作于2022年6月（a）物理结构剖面图）物理结构剖面图（b）等效的器件级模型）等效的器件级模型（c）等效的集总参数模型）等效的集总参数模型 图图5.6 基区电阻等效模型基区电阻等效模型第二十二张，PPT共八十六页，创作于2022年6月有源电阻有源电阻 除了薄层集成电阻外，工作在特定偏置条件下除了薄层集成电阻外，工作在特定偏置条件下并作适当连接的晶体管表现出电阻特性，可用作并作适当连接的晶体管表现出电阻特性，可用作电路中的电阻元件，并称之为电路中的电阻元件，并称之为有源电阻有源电阻。增强型增强型NMOS作有源电阻作有源
16、电阻 增强型增强型PMOS作有源电阻作有源电阻第二十三张，PPT共八十六页，创作于2022年6月 栅极加偏置的栅极加偏置的NMOS有源电阻及其电流有源电阻及其电流-电压曲线电压曲线 直流电阻vs.交流电阻第二十四张，PPT共八十六页，创作于2022年6月几种几种MOS有源电阻的连接形式有源电阻的连接形式 第二十五张，PPT共八十六页，创作于2022年6月二、集成电容器二、集成电容器 在集成电路中，有多种电容结构：在集成电路中，有多种电容结构：1）金属金属-绝缘体绝缘体-金属（金属（MIM）结构；结构；2）多晶硅多晶硅/金属金属-绝缘体绝缘体-多晶硅多晶硅结构；结构；3）金属叉指结构金属叉指结构
17、4）PN结电容结电容；5）MOS电容电容。这些结构的电容可以是有意设计的电容元这些结构的电容可以是有意设计的电容元件，也可能是不可避免的寄生电容。件，也可能是不可避免的寄生电容。第二十六张，PPT共八十六页，创作于2022年6月平板电容平板电容 vSPICE程序中定义的电容元件程序中定义的电容元件C是以是以平板电容平板电容为标准的，主要参数为：为标准的，主要参数为：电容值电容值C0、电容温电容温度系数度系数与与高频寄生参数高频寄生参数。v集成电路中可以采用多种材料结构的平板电集成电路中可以采用多种材料结构的平板电容。最标准的是容。最标准的是金属金属-绝缘体绝缘体-金属（金属（MIM）结结构，其
18、他包括构，其他包括金属金属-绝缘体绝缘体-多晶硅多晶硅结构和结构和金属金属-绝缘体绝缘体-重掺杂半导体重掺杂半导体结构等。结构等。第二十七张，PPT共八十六页，创作于2022年6月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MIM电容结构电容结构 第二十八张，PPT共八十六页，创作于2022年6月平板电容计算公式：平板电容计算公式：单位面积电容单位面积电容的定义：的定义：SPICE程序中，考虑温度系数时的电容计算式：程序中，考虑温度系数时的电容计算式：大多数硅氮氧化物的相对介质常数在3.56.5之间。MIM结构的单位面积电容值通常为pF或fF数量级。第二十九张，PPT共八十六页，创作于
19、2022年6月电容高频等效模型电容高频等效模型 对于MIM电容，它的下极板寄生电容值为主电容值的1/10；而对于多晶硅-扩散电容，其下极板寄生电容和主电容为同一数量级。任何电容仅在低于f0的频率上才会起电容作用。经验准则是让电容工作在f0/3以下。第三十张，PPT共八十六页，创作于2022年6月金属叉指结构电容金属叉指结构电容 优点：不需要额外的工艺。特征尺寸急剧降低，金属线条的宽度和厚度之比大大减小，叉指的侧面电容占主导地位。第三十一张，PPT共八十六页，创作于2022年6月PN结电容结电容 v利用利用PN结电容的优点也是不需要额外的工艺，但所实现结电容的优点也是不需要额外的工艺，但所实现的
20、电容有一个的电容有一个极性问题极性问题。v所有的所有的PN结电容都是非线性的，电容值是两端电压的结电容都是非线性的，电容值是两端电压的函数。函数。v在大信号线性放大器中，在大信号线性放大器中，PN结电容的非线性会引起电路结电容的非线性会引起电路的的非线性失真非线性失真。v任何任何PN结都有漏电流和从结面到金属连线的体电阻，因结都有漏电流和从结面到金属连线的体电阻，因而，而，结电容的品质因数通常比较低结电容的品质因数通常比较低。v结电容的参数可以采用二极管和晶体管结电容同样的结电容的参数可以采用二极管和晶体管结电容同样的方法进行计算，方法进行计算，其其SPICE模型直接运用相关二极管或三极模型直
21、接运用相关二极管或三极管器件的模型管器件的模型。第三十二张，PPT共八十六页，创作于2022年6月 MOS结构电容结构电容 MOS结构电容的结构电容的SPICE模型就直接运用模型就直接运用MOS器件的模型器件的模型。与平板电容和。与平板电容和PN结电容都结电容都不相同的是，不相同的是，MOS核心部分，即金属核心部分，即金属-氧化物氧化物-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，其栅极其栅极与衬底之间的电容与衬底之间的电容Cgb与栅极电压与栅极电压Vgb之间的之间的关系取决于半导体表面的状态关系取决于半导体表面的状态。随着栅极电压。随着栅极电压的变化，表面可处于的变化
22、，表面可处于v积累区积累区v耗尽区耗尽区v反型区反型区第三十三张，PPT共八十六页，创作于2022年6月（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 第三十四张，PPT共八十六页，创作于2022年6月三、集成电感三、集成电感 在集成电路开始出现以后很长一段时间内，在集成电路开始出现以后很长一段时间内，人们一直认为电感是不能集成在芯片上的。因人们一直认为电感是不能集成在芯片上的。因为那时集成电路工作的最高频率在兆赫量级，为那时集成电路工作的最高频率在兆赫量级，芯片上金属线的电感效应非常小。现在的情况芯片上金属线的电感效应非常小。现在的情况就不同了，首先，近二十年来集成电
23、路的速度就不同了，首先，近二十年来集成电路的速度越来越高，射频集成电路（越来越高，射频集成电路（RFIC）已经有了很）已经有了很大的发展，大的发展，芯片上金属结构的电感效应变得越芯片上金属结构的电感效应变得越来越明显来越明显。芯片电感的实现成为可能。芯片电感的实现成为可能。第三十五张，PPT共八十六页，创作于2022年6月单匝线圈电感版图单匝线圈电感版图 a，w 取微米单位取微米单位 集总电感集总电感集总电感集总电感第三十六张，PPT共八十六页，创作于2022年6月多匝线圈的实物照片多匝线圈的实物照片 GaAs和InP等半绝缘体上的电感的高频模型与集成电阻的模型类似。第三十七张，PPT共八十六
24、页，创作于2022年6月传输线电感传输线电感传输线电感传输线电感v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ll/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/4 l l/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：短路负载：短路负载：开路负载：开路负载：开路负载：开路负载：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时时 当当VBS0时时
25、当当VBD0时时 第六十六张，PPT共八十六页，创作于2022年6月3）PN结电容结电容 两个两个PN结电容结电容CBS和和CBD由底部势垒电容和侧壁由底部势垒电容和侧壁势垒电容两部分组成。势垒电容两部分组成。第六十七张，PPT共八十六页，创作于2022年6月4）栅电容）栅电容 三个三个非线性栅电容非线性栅电容CGB，CGS，CGD由随由随偏压变偏压变化化和不和不随偏压变化随偏压变化的两部分构成。的两部分构成。其中其中不随偏压变化的部分不随偏压变化的部分是是栅极与源区、漏区栅极与源区、漏区的交叠氧化层电容的交叠氧化层电容以及以及栅与衬底间的交叠氧化层电栅与衬底间的交叠氧化层电容（在场氧化层上容
26、（在场氧化层上）。随偏压而变的栅电容是随偏压而变的栅电容是栅氧化层电容与空间电栅氧化层电容与空间电荷区电容相串联荷区电容相串联的部分。的部分。第六十八张，PPT共八十六页，创作于2022年6月不同工作区的栅电容不同工作区的栅电容 第六十九张，PPT共八十六页，创作于2022年6月5）串联电阻的影响）串联电阻的影响 漏区和源区串联电阻的存在漏区和源区串联电阻的存在使加在漏源区的有效电使加在漏源区的有效电压会小于加在外部端口处的电压压会小于加在外部端口处的电压，会影响，会影响MOS管的电管的电学特性。学特性。MOS1模型中引入了电阻模型中引入了电阻rD和和rS分别表示分别表示漏区和源区的串联电阻，
27、其值可以在模型语句漏区和源区的串联电阻，其值可以在模型语句.MODEL中给定，也可通过中给定，也可通过MOS管的管的NRD和和NRS来确来确定定。第七十张，PPT共八十六页，创作于2022年6月v目前绝大多数目前绝大多数IC foundry都采用都采用BSIM模型来描述其加模型来描述其加工的器件的性能。工的器件的性能。BSIM模型一般通过自动化的参数提模型一般通过自动化的参数提取和模型生成软件来完成的，取和模型生成软件来完成的，v其中，其中，BSIM1 SPICE模型适用于沟道长度模型适用于沟道长度小于小于1um的的MOS晶体管，对于沟道长度更短的晶体管，对于沟道长度更短的MOS管则需要使用管
28、则需要使用BSIM2或或BSIM3模型。模型。v从建模机理上来讲，从建模机理上来讲，BSIM1和和BSIM2集中于解决集中于解决模型的模型的精度并考虑公式的简单化精度并考虑公式的简单化，因而引入了大量的经验参，因而引入了大量的经验参数或拟合参数以提高精度。实际使用上由于数或拟合参数以提高精度。实际使用上由于模型参数模型参数过多且存在冗余过多且存在冗余，因此用起来比较麻烦。，因此用起来比较麻烦。三、短沟道三、短沟道MOS管的管的BSIM SPICE模型模型 第七十一张，PPT共八十六页，创作于2022年6月 BSIM3是基于准二维分析的物理模型是基于准二维分析的物理模型，着重探讨和解决，着重探讨
29、和解决涉及器件工作的物理机制，并考虑了器件尺寸和工艺参涉及器件工作的物理机制，并考虑了器件尺寸和工艺参数的影响，力求使每个模型参数与器件特性的关系可以数的影响，力求使每个模型参数与器件特性的关系可以预测。预测。BSIM3大约有大约有120个参数个参数，每一个都有其物理意义。，每一个都有其物理意义。在整个工作区域内，漏电流及其一阶导数都是连续的，在整个工作区域内，漏电流及其一阶导数都是连续的，这对解决电路仿真中的收敛问题很有帮助。在这对解决电路仿真中的收敛问题很有帮助。在Hspice或或SmartSpice仿真软件中，仿真软件中，BSIM3模型的模型的V3.1版本对应于版本对应于Level 49
30、，模型中考虑的主要效应包括以下几个方面。，模型中考虑的主要效应包括以下几个方面。第七十二张，PPT共八十六页，创作于2022年6月（1）短沟和窄沟对阈值电压的影响短沟和窄沟对阈值电压的影响；（2）横向和纵向的非均匀掺杂；）横向和纵向的非均匀掺杂；（3）垂直场引起的载流子迁移率下降垂直场引起的载流子迁移率下降（4）体效应；）体效应；（5）载流子速度饱和效应载流子速度饱和效应；（6）漏感应引起位垒下降；）漏感应引起位垒下降；（7）沟道长度调制效应沟道长度调制效应；（8）衬底电流引起的体效应，）衬底电流引起的体效应，（9）次开启导电问题；）次开启导电问题；（10）漏源寄生电阻。）漏源寄生电阻。第七十
31、三张，PPT共八十六页，创作于2022年6月MOSFET49级模型级模型(Level=49,BSIM3V3)共有共有166(174)个参数个参数!v67个个DC 参数参数v13个个AC 和电容参数和电容参数v2个个NQS模型参数模型参数v10个温度参数个温度参数v11个个W和和L参数参数v4个边界参数个边界参数v4个工艺参数个工艺参数v8个噪声模型参数个噪声模型参数v47二极管二极管,耗尽层电容和电阻参数耗尽层电容和电阻参数v8个平滑函数参数个平滑函数参数(在在3.0版本中版本中)74第七十四张，PPT共八十六页，创作于2022年6月飞利浦飞利浦MOSFET模型模型(Level=50)v共有共
32、有72个模型参数个模型参数.v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.第七十五张，PPT共八十六页，创作于2022年6月不同不同MOSFET模型应用场合模型应用场合Level 1简单简单MOSFET模型模型Level 22 m 器件模拟分析器件模拟分析Level 30.9 m 器件数字分析器件数字分析BSIM 10.8 m 器件数字分析器件数字分析BSIM 20.3 m 器件模拟与数字分析器件模拟与数字分析BSIM 30.5 m 器件模拟分析与器件模拟分析与0.1 m 器件数字分析器件数字分析Level=6 亚微米离子注入器件亚微米离子注入器件Level=50小尺寸器件模拟电路分
33、析小尺寸器件模拟电路分析 Level=11SOI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.第七十六张，PPT共八十六页，创作于2022年6月例例.MODEL CMOSN NMOS(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-
34、7NLX=2.869371E-7+DVT0W=0 DVT1W=0DVT2W=0+DVT0=1.7544494DVT1=0.4703288DVT2=-0.0394498+U0=489.0696189UA=5.339423E-10UB=1.548022E-18+UC=5.795283E-11VSAT=1.191395E5A0=0.8842702+AGS=0.1613116B0=1.77474E-6B1=5E-6+KETA=5.806511E-3A1=0A2=1台积电公司某一批台积电公司某一批0.35 m CMOS工艺工艺NMOS器件的器件的Star-HSpice参数参数(命命名为名为CMOSN的的
35、NMOS模型库模型库Spice文件文件)第七十七张，PPT共八十六页，创作于2022年6月78+RDSW=1.88264E3PRWG=-0.105799PRWB=-0.0152046+WR=1WINT=7.381398E-8LINT=1.030561E-8+XL=-2E-8XW=0DWG=-1.493222E-8+DWB=9.792339E-9VOFF=-0.0951708NFACTOR=1.2401249+CIT=0CDSC=4.922742E-3CDSCD=0+CDSCB=0 ETA0=2.005052E-3ETAB=5.106831E-3+DSUB=0.2068625PCLM=1.941
36、8893PDIBLC1=0.2403315+PDIBLC2=5.597608E-3PDIBLCB=-4.18062E-4DROUT=0.5527689+PSCBE1=4.863898E8PSCBE2=1.70429E-5PVAG=1.0433116+DELTA=0.01MOBMOD=1PRT=0+UTE=-1.5 KT1=-0.11KT1L=0+KT2=0.022UA1=4.31E-9UB1=-7.61E-18例例(续续1)第七十八张，PPT共八十六页，创作于2022年6月79+UC1=-5.6E-11AT=3.3E4WL=0+WLN=1WW=-1.22182E-15WWN=1.137+WWL
37、=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+PRDSW=-159.9288563PK2=-9.424037E-4WKETA=4.696914E-3+LKETA=-6.965933E-3PAGS=0.0718NQSMOD=1+ELM=5)*END CMOSN例例(续续)第七十九张，PPT
38、共八十六页，创作于2022年6月5.6 模型参数提取技术模型参数提取技术 实际电路分析中用到的一般都是实际电路分析中用到的一般都是元件的等效元件的等效电路模型电路模型。由于集成电路元件主要是由半导。由于集成电路元件主要是由半导体器件组成的，因此，这些等效电路模型又体器件组成的，因此，这些等效电路模型又都是以都是以物理模型物理模型为基础的。为基础的。第八十张，PPT共八十六页，创作于2022年6月 1）物理模型）物理模型 半导体器件的半导体器件的物理模型物理模型是从半导体的基本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方程出发，并对器件的参数做一定的近似假设而得到的而得到的有解析表
39、达式的数学模型有解析表达式的数学模型。一般说来，。一般说来，随着集成电路集成度的提高，器件的结构、尺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。寸都在发生变化，器件的物理模型就越加复杂。在物理模型中经常包含有一些经验因子，目的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。一般说，是为了使模型与实验结果符合得更好。一般说，模型中考虑的因素越多，与实际结果就符合得模型中考虑的因素越多，与实际结果就符合得越好，但模型也就越复杂越好，但模型也就越复杂，在电路模拟中耗费，在电路模拟中耗费的计算工作量就越大。的计算工作量就越大。第八十一张，
40、PPT共八十六页，创作于2022年6月2）等效电路模型）等效电路模型 半导体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是在特定的工作条件下，件下，把器件的物理模型用一组理想元件代替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。用这些理想元件的支路方程表示器件的物理模型。一般说，一般说，同一个半导体器件在不同的工作条件下，将同一个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有不同的等效电路模型。例如一个器件的直流模型、。例如一个器件的直流模型、交流小信号模型、交流大信号模型以及瞬态模型等是交流小信号模型、交流大信号模型以及瞬态模型等是各不
41、相同的。各不相同的。电路仿真的精度电路仿真的精度不仅与不仅与模型本身模型本身有关，还与有关，还与给给定的模型参数定的模型参数值是否正确有密切关系，因此，准确值是否正确有密切关系，因此，准确地获取模型参数是电路分析的重要工作。地获取模型参数是电路分析的重要工作。第八十二张，PPT共八十六页，创作于2022年6月一、模型参数提取方法一、模型参数提取方法 模型参数的确定大致分三类。模型参数的确定大致分三类。第一类第一类是是用仪器直接测量用仪器直接测量。这种方法物理概念明确，某些参数测量的精。这种方法物理概念明确，某些参数测量的精度较高，但所需的仪器较多，工作量比较大。度较高，但所需的仪器较多，工作量
42、比较大。第二类第二类是是从工艺参数获得模型参数从工艺参数获得模型参数。该方法的缺点是模型参数误差较大。该方法的缺点是模型参数误差较大。第三类第三类是是模型参数的计算机优化提取模型参数的计算机优化提取。该方法以计算机为工具，测。该方法以计算机为工具，测量尽可能少的器件外部特性，再采用最优化的曲线拟合得到模型参数。量尽可能少的器件外部特性，再采用最优化的曲线拟合得到模型参数。其特点是：所需测试仪器少，测试工作量小，软件成熟，能很快地得到其特点是：所需测试仪器少，测试工作量小，软件成熟，能很快地得到较高精度的符合实际的模型参数。较高精度的符合实际的模型参数。第八十三张，PPT共八十六页，创作于202
43、2年6月二、参数提取的基本原理二、参数提取的基本原理 参数提取参数提取的任务是要从一组器件测量特性的任务是要从一组器件测量特性中得到与器件模型相对应的一套模型参数值。中得到与器件模型相对应的一套模型参数值。其办法是先给出一组模型参数初始值，代入器其办法是先给出一组模型参数初始值，代入器件模型公式得到一组模拟结果；然后比较模拟件模型公式得到一组模拟结果；然后比较模拟结果与测量特性，如两者不一致，就修改参数结果与测量特性，如两者不一致，就修改参数值，直到模拟结果能与测量特性很好地拟合。值，直到模拟结果能与测量特性很好地拟合。由于器件特性是非线性的，因而参数提取是一由于器件特性是非线性的，因而参数提取是一个非线性拟合问题，也是一个不断迭代改进约个非线性拟合问题，也是一个不断迭代改进约优化问题。在数学上，上述问题可归结为优化问题。在数学上，上述问题可归结为最小最小二乘法的曲线拟合二乘法的曲线拟合。第八十四张，PPT共八十六页，创作于2022年6月模型参数优化提取流程模型参数优化提取流程 约束化最小问题约束化最小问题优化策略：优化策略：全局优化全局优化VS.局部优化局部优化第八十五张，PPT共八十六页，创作于2022年6月感感谢谢大大家家观观看看第八十六张，PPT共八十六页，创作于2022年6月