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1、集成电路器件模型集成电路器件模型本讲稿第一页，共四十页第三章第三章 集成电路器件模型集成电路器件模型41235二极管模型二极管模型双极型晶体管模型双极型晶体管模型MOS晶体管模型晶体管模型JFET模型、模型、MESFET模型模型无源器件模型无源器件模型6噪声模型噪声模型2本讲稿第二页，共四十页器件模型器件模型电路中的有源器件用模型描述该器件的特性。电路中的有源器件用模型描述该器件的特性。器件模型是根据器件的端电压和端电流的关系，利器件模型是根据器件的端电压和端电流的关系，利用数学方程、等效电路以及工艺数据拟合等方法来用数学方程、等效电路以及工艺数据拟合等方法来描述器件的功能和性能，是集成电路设
2、计中对器件描述器件的功能和性能，是集成电路设计中对器件功能和性能进行模拟验证的重要依据。功能和性能进行模拟验证的重要依据。电路模拟结果是否符合实际情况，主要取决于器件电路模拟结果是否符合实际情况，主要取决于器件模型是否正确，特别是采用的模型参数是否真正代模型是否正确，特别是采用的模型参数是否真正代表实际器件的特性。表实际器件的特性。不同的电路模拟软件中采用的模型不完全相同，模型不同的电路模拟软件中采用的模型不完全相同，模型参数的名称和个数也不尽相同。参数的名称和个数也不尽相同。3本讲稿第三页，共四十页器件模型越精确，电路模拟效果越好，但是计算量器件模型越精确，电路模拟效果越好，但是计算量也越大
3、，因此应折衷考虑。对同一种器件，往往提也越大，因此应折衷考虑。对同一种器件，往往提出几种模型。出几种模型。学习中应该掌握模型参数的含义，特别应注意每个学习中应该掌握模型参数的含义，特别应注意每个模型参数的作用特点，即在不同的电路特性分析中模型参数的作用特点，即在不同的电路特性分析中必需考虑哪些模型参数。必需考虑哪些模型参数。每个模型参数均有内定值。每个模型参数均有内定值。除了描述基本直流模型的几个参数外，其他模型参除了描述基本直流模型的几个参数外，其他模型参数如果采用内定值，相当于不考虑相应的效应。数如果采用内定值，相当于不考虑相应的效应。如果采用模拟软件附带的模型参数库，当然不存在如果采用模
4、拟软件附带的模型参数库，当然不存在任何问题。如果采用模型参数库中未包括的器件，任何问题。如果采用模型参数库中未包括的器件，如何比较精确地确定该器件的模型参数将是影响电如何比较精确地确定该器件的模型参数将是影响电路模拟结果的关键问题。路模拟结果的关键问题。4本讲稿第四页，共四十页一、二极管模型一、二极管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，它是微电子器件结相互作用的结果，它是微电子器件的基础。的基础。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P型，另一部分区域为型，另一部分区域为N型，则在其交界面型，则在其交界面就
5、形成了就形成了PN结。结。以以PN结构成的二极管最基本的电学行为结构成的二极管最基本的电学行为是具有单向导电性。是具有单向导电性。5本讲稿第五页，共四十页Cj和和Cd分别代表分别代表PN结的势垒电容和扩散电容。结的势垒电容和扩散电容。RS代表从外电极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。到结的路径上通常是半导体材料的电阻，称之为体电阻。二极管等效电路模型二极管等效电路模型 6本讲稿第六页，共四十页二极管模型参数二极管模型参数参数名符号Spice名单位缺省值饱和电流ISISA1.010-14发射系数nN-1串联体电阻RSRS0渡越时间DTTs0零偏势垒电容Cj0CJ0F0
6、梯度因子mM-0.5PN结内建势垒V0VJV17本讲稿第七页，共四十页二、双极晶体管模型二、双极晶体管模型 SPICE中的双极型晶体管常用两种物理中的双极型晶体管常用两种物理模型，两种模型参数能较好地反映物理模型，两种模型参数能较好地反映物理本质且易于测量。本质且易于测量。EM（Ebers-Moll）模型）模型：1954年由年由J.J.Ebers和和J.L.Moll提出。提出。GP（Gummel-Poon）模型）模型：1970年由年由HKGummel和和HCPoon提出。提出。8本讲稿第八页，共四十页双极型晶体管双极型晶体管EM模型模型9本讲稿第九页，共四十页EM模型模型 将将电电流流增增益益
7、作作为为频频率率的的函函数数来来处处理理，对对计计算算晶晶体体管管存存贮贮效效应应和和瞬瞬态特性不方便。态特性不方便。改改进进的的EM模模型型采采用用电电荷荷控控制制观观点点，增加电容到模型中。增加电容到模型中。进进一一步步考考虑虑到到发发射射极极、基基极极和和集集电电极极串串联联电电阻阻，以以及及集集成成电电路路中中集集电电结结对对衬衬底底的的电电容容，于于是是得得到到EM2模型。模型。NPNEM直流模型直流模型10本讲稿第十页，共四十页EM2模型模型 EM大信号模型大信号模型11本讲稿第十一页，共四十页EM小信号等效电路小信号等效电路 基区宽度调制效应参基区宽度调制效应参数欧拉电压数欧拉电
8、压12本讲稿第十二页，共四十页双极型体管双极型体管GP模型模型13本讲稿第十三页，共四十页与与EM模型相比，模型相比，GP模型增加以下几个物理效应：模型增加以下几个物理效应：1.小电流时小电流时值下降值下降2.大注入效应，改善了高电平下的伏安特性大注入效应，改善了高电平下的伏安特性3.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，反映了共射极电流放大倍数反映了共射极电流放大倍数随电流和电压的变化随电流和电压的变化4.发射系数的影响发射系数的影响5.基极电阻随电流变化基极电阻随电流变化6.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I
9、C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由于基区展宽效应使特征频率下由于基区展宽效应使特征频率fT和和IC成反比的特性。成反比的特性。7.模型参数和温度的关系。模型参数和温度的关系。8.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，外外延延层层电电荷荷存存储储引引起起的的准准饱和效应。饱和效应。双极型晶体管双极型晶体管GP模型模型14本讲稿第十四页，共四十页GP直流模型直流模型 15本讲稿第十五页，共四十页GP大信号模型大信号模型GP大信号模型与大信号模型与EM大信号模型类似，大信号模型类似，引入修正内容：引入修正内容：集电结电容分布特性：划分为两个电容集电结电容
10、分布特性：划分为两个电容渡越时间随偏置的变化：大电流时渡越时间随偏置的变化：大电流时F不再是不再是常数常数基区中的分布现象基区中的分布现象16本讲稿第十六页，共四十页GP小信号模型小信号模型与与EM小信号模小信号模型十分一致，型十分一致，只是参数的值只是参数的值不同。不同。GP小信号模型小信号模型17本讲稿第十七页，共四十页双极型晶体管双极型晶体管SPICE模型参数模型参数参数名公式中符号SPICE中符号单位SPICE默认值饱和电流ISISA1016理想最大正向电流增益FBF100理想最大反向电流增益RBR1正向厄利（欧拉）电压VAFVAFV反向厄利（欧拉）电压VARVARV基极-发射极结梯度
11、因子mEMJE0.33基极-集电极结梯度因子mCMJC0.33衬底结指数因子msMJS0.0基极-发射极内建电势VE0VJEV0.75基极-集电极内建电势V C0VJCV0.75衬底结内建电势V S0VJSV0.7518本讲稿第十八页，共四十页三、三、MOSFET模型模型常用的几种常用的几种MOSFET模型模型Level=1Shichman-Hodges Level=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)Level=3半经验短沟道模型半经验短沟道模型(SPICE 2G)Level=49 BSIM3V3BSIM,3rd,Vers
12、ion 3Level=50 Philips MOS919本讲稿第十九页，共四十页MOSFET一级模型一级模型又称又称MOS1模型，这是最简单的模型，适模型，这是最简单的模型，适用于手工计算。当用于手工计算。当MOS器件的栅长和栅器件的栅长和栅宽大于宽大于10m、衬底掺杂低，而我们又需、衬底掺杂低，而我们又需要一个简单的模型时，那么由要一个简单的模型时，那么由Shichman和和Hodges提出的提出的MOS1模型是适合的。模型是适合的。20本讲稿第二十页，共四十页MOSFET一级模型一级模型(Level=1)MOS1模型包括了漏模型包括了漏区和源区的串联电阻区和源区的串联电阻rD和和rS，两个
13、衬底，两个衬底PN结和结电容结和结电容CBS、CBD，反映电荷存储效，反映电荷存储效应的三个非线性电容应的三个非线性电容CGB、CGS和和CGD以及以及受控电流源受控电流源IDS。21本讲稿第二十一页，共四十页MOSFET一级模型一级模型(Level=1)描描述述I和和V的的平平方方率率特特性性,它它考考虑虑了了衬衬底底调制效应和沟道长度调制效应调制效应和沟道长度调制效应:KP=Cox本征跨导参数本征跨导参数Cox=ox/Tox单位面积的栅氧化层电容单位面积的栅氧化层电容LO有效沟道长度有效沟道长度,L版图栅长版图栅长,LD沟道横向扩散长度沟道横向扩散长度非饱和区非饱和区饱和区饱和区MOSFE
14、T电流方程模型电流方程模型22本讲稿第二十二页，共四十页MOSFET一级模型一级模型(Level=1)（续）（续）MOSFET的阈值电压的阈值电压Vth本质上由栅级上本质上由栅级上的电荷的电荷,绝缘层中的电荷和沟道区电荷之绝缘层中的电荷和沟道区电荷之间的平衡决定间的平衡决定VTO：Vbs=0时的阈值电压时的阈值电压Vbs：衬底到源区的偏压：衬底到源区的偏压：体效应阈值系数，反映了体效应阈值系数，反映了Vth随衬随衬-源偏置源偏置 Vbs的变化。的变化。23本讲稿第二十三页，共四十页VFB=MS QSS/COXNSUB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
15、 F当当半半导导体体表表面面的的费费米米势势等等于于 F时时，半半导导体体表表面面处处于于强强反反型型,此此时时表面势表面势 PHI=2 Fn型反型层型反型层 PHI0,p型反型层型反型层 PHI0VFB称称之之为为平平带带电电压压,它它是是使使半半导导体体表表面面能能带带和和体体内内能能带带拉拉平平而而需需在在 栅级上所加的电压栅级上所加的电压.MS为为栅栅金金属属与与半半导导体体硅硅的的功功函函数数之之差差除除以以电电子子电电荷荷.其其数数值值与与硅的掺杂类型硅的掺杂类型,浓度以及栅金属材料有关浓度以及栅金属材料有关.24本讲稿第二十四页，共四十页MOSFET一级模型一级模型(Level=
16、1)(续续)栅材料类型由模型参数栅材料类型由模型参数TPG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QSS=qNSSNSS为表面态密度为表面态密度,其模型参数为其模型参数为NSS.N沟沟 道道 硅硅 栅栅 增增 强强 型型 MOSFET:VFB -1.2V,PHI 0.6VN沟道硅栅耗尽型沟道硅栅耗尽型MOSFET:VFB -0.6 0.8V模模型型参参数数LAMBDA()为为沟沟道道长长度度调调制制系系数数.其其物物理理意意义义为为MOSFET进进入入饱饱和和区区后后单单位位漏漏-源源电电压压引引起起的的沟沟道道长长度度的的相相对变化率对变化率.25本讲稿第二
17、十五页，共四十页MOSFET一级模型直流特性涉及的模型参数一级模型直流特性涉及的模型参数参数符号参数符号SPICE名名说明说明VTOVTO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体效应阈值系数体效应阈值系数2FPHI强反型时的表面势垒高度强反型时的表面势垒高度LAMBDA沟道长度调制系数沟道长度调制系数o/nUO表面迁移率表面迁移率L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W沟道宽度沟道宽度 TOXTOX栅氧化层厚度栅氧化层厚度TPG栅材料类型栅材料类型NSUBNSUB衬底衬底(阱阱)掺杂浓度掺杂浓度NSSNSS
18、表面态密度表面态密度26本讲稿第二十六页，共四十页VTO,KP,GAMMA,PHI,LAMBDA是是 器件参数器件参数.TOX,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,SPICE会计算出相应的器件参数会计算出相应的器件参数.IS:衬底结饱和电流衬底结饱和电流(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
19、一级模型直流特性涉及的模型参数27本讲稿第二十七页，共四十页Iss=AS JS+PS JSSWIds=AD JS+PD JSSWIb=Ibs+Ibd上列上列8个参数用于计算个参数用于计算1)衬底电流衬底电流2)衬衬-源源PN结漏电流结漏电流3)衬衬-漏漏PN结漏电流结漏电流其中其中,MOSFET一级模型直流特性涉及的模型参数一级模型直流特性涉及的模型参数28本讲稿第二十八页，共四十页MOSFET二级模型二级模型又称又称MOS2模型，模型，LEVEL2的的MOS2模模型在型在MOS1模型基础上考虑了一些二阶效模型基础上考虑了一些二阶效应，提出了短沟道或窄沟道应，提出了短沟道或窄沟道MOS管的模管
20、的模型，又被称为二维解析模型。型，又被称为二维解析模型。29本讲稿第二十九页，共四十页MOSFET二级模型二级模型 MOS2模型考虑的二阶效应主要包括：模型考虑的二阶效应主要包括：（1）沟道长度对阈值电压的影响）沟道长度对阈值电压的影响（2）漏栅静电反馈效应对阈值电压的影响）漏栅静电反馈效应对阈值电压的影响（3）沟道宽度对阈值电压的影响）沟道宽度对阈值电压的影响（4）迁移率随表面电场的变化）迁移率随表面电场的变化（5）沟道夹断引起的沟道长度调制效应）沟道夹断引起的沟道长度调制效应（6）载流子漂移速度限制而引起的电流饱）载流子漂移速度限制而引起的电流饱和效应和效应30本讲稿第三十页，共四十页MO
21、SFET三级模型三级模型又称又称MOS3模型，模型，MOS3模型是一个半经模型是一个半经验模型，适用于短沟道器件。验模型，适用于短沟道器件。31本讲稿第三十一页，共四十页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。计算公式中考虑了又节省计算时间。计算公式中考虑了漏源电源引起的表面势垒降低而使阈值电漏源电源引起的表面势垒降低而使阈值电 压压下降的静电反馈效应下降的静电反馈效应.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.载流子极限漂移速度引起的沟道电流饱和效载流子极限漂移速度引起的沟道电流饱和效应应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
22、的影响.沿沟道方向沿沟道方向(Y方向方向)的阈值电压半经验公式的阈值电压半经验公式:MOSFET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)32本讲稿第三十二页，共四十页半经验短沟道模型半经验短沟道模型(Level=3)(续续)静电反馈系数静电反馈系数 ETA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 s随随VGS而变化而变化 THETA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 L的的 半经验公式为半经验公式为:k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KAP
23、PA.与与MOS2模型相比，模型相比，MOS3模型引入三个新的模型参数为模型引入三个新的模型参数为:ETA,THETA,KAPPA。除此之外除此之外,MESFET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,沟道调制效沟道调制效应和漏源电流表达式等都是半经验表达式应和漏源电流表达式等都是半经验表达式.33本讲稿第三十三页，共四十页MOSFET49级模型级模型(Level=49,BSIM3V3 Berkeley short-channel IGFET model)1995年年10月月31日由加州柏克莱分校推出，基于物理的深亚微米日由加州柏克莱分校推出，基于物理的深亚微米MOSFET
24、模型，可用于模拟和数字电路模拟。模型，可用于模拟和数字电路模拟。(1)阈值电压下降阈值电压下降,(2)非均匀掺杂效应非均匀掺杂效应,(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)载流子极限漂移速度引起的载流子极限漂移速度引起的 沟道电流饱和效应沟道电流饱和效应(5)沟道长度调制沟道长度调制(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衬底电流引起的体效应(8)亚阈值导通效应亚阈值导通效应(9)寄生电阻效应寄生电阻效应34本讲稿第三十四页，共四十页MOSFET49级模型级模型(Le
25、vel=49,BSIM3V3)共有共有166(174)个参数个参数!67个个DC 参数参数13个个AC 和电容参数和电容参数2个个NQS模型参数模型参数10个温度参数个温度参数11个个W和和L参数参数4个边界参数个边界参数4个工艺参数个工艺参数8个噪声模型参数个噪声模型参数47二极管二极管,耗尽层电容和电阻参数耗尽层电容和电阻参数8个平滑函数参数个平滑函数参数(在在3.0版本中版本中)35本讲稿第三十五页，共四十页飞利浦飞利浦MOSFET模型模型(Level=50)共有共有72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.36本讲稿第三十六页，共四十页不同不同MO
26、SFET模型应用场合模型应用场合Level 1 简单简单MOSFET模型，适用于长沟道器件模型，适用于长沟道器件Level 2 2 m 器件模拟分析器件模拟分析Level 3 0.9 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析小尺寸器件模拟电路分析 Level=11 SOI（绝缘层上硅）器件（绝缘层上硅）器件 对电路设计者来
27、说对电路设计者来说,采用什么模型参数在很大程度上还取决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于能从相应的工艺制造单位得到何种模型参数.37本讲稿第三十七页，共四十页例例.MODEL CMOSN NMOS(LEVEL=49+VERSION=3.1 TNOM=27TOX=7.6E-9+XJ=1E-7NCH=2.3579E17VTH0=0.5085347+K1=0.5435268K2=0.0166934K3=2.745303E-3+K3B=0.6056312W0=1E-7 NLX=2.869371E-7+DVT0W=0DVT1W=0DVT2W=0+DVT0=1.7
28、544494DVT1=0.4703288DVT2=0.0394498+U0=489.0696189UA=5.339423E-10UB=1.548022E-18+UC=5.795283E-11VSAT=1.191395E5A0=0.8842702+AGS=0.1613116 B0=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参参数数(命名为命名为CMOSN的的NMOS模型库模型库Spice文件文件)38本讲稿第三十八页，共四十页+RDSW=1.88264
29、E3PRWG=-0.105799PRWB=-0.0152046+WR=1WINT=7.381398E-8LINT=1.030561E-8+XL=-2E-8 XW=0DWG=-1.493222E-8+DWB=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-4
30、DROUT=0.5527689+PSCBE1=4.863898E8PSCBE2=1.70429E-5PVAG=1.0433116+DELTA=0.01 MOBMOD=1PRT=0+UTE=-1.5KT1=-0.11KT1L=0+KT2=0.022UA1=4.31E-9UB1=-7.61E-18例例(续续)39本讲稿第三十九页，共四十页+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+PRDSW=-159.9288563PK2=-9.424037E-4WKETA=4.696914E-3+LKETA=-6.965933E-3PAGS=0.0718NQSMOD=1+ELM=5)END CMOSN例例(续续)40本讲稿第四十页，共四十页