集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)ppt課件

1、山東大學(xué)山東大學(xué) 信息學(xué)院信息學(xué)院劉志軍劉志軍第第6章章 集成無源器件及集成無源器件及SPICE模型模型6.1 引言引言 6.2 薄層集成電阻器薄層集成電阻器 6.3 有源電阻有源電阻 6.4 集成電容器集成電容器 6.5 電感電感 6.6 互連線互連線 6.7 傳輸線傳輸線 7.1 引言引言 7.2 二極管及其二極管及其SPICE模型模型 7.3 雙極型晶體管及其雙極型晶體管及其SPICE模型模型 7.4 MOS場(chǎng)效應(yīng)管及其場(chǎng)效應(yīng)管及其SPICE模型模型 7.5 短溝道短溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管BSIM3模型模型 7.6 模型參數(shù)提取技術(shù)模型參數(shù)提取技術(shù)上一章主要介紹無源元件R、L、C的模

2、型。集成電路主要是由晶體管組成的，本章主要介紹晶體管等效電路模型。半導(dǎo)體器件模型有：器件的物理模型器件的等效電路模型 半導(dǎo)體器件物理模型是從半導(dǎo)體基本方程出發(fā)，對(duì)器件的參數(shù)做一定的近似假設(shè)，而得到的有解析表達(dá)式的數(shù)學(xué)模型 。半導(dǎo)體器件等效電路模型在特定的工作條件下，把器件的物理模型用一組理想元件代替，用這些理想元件的支路方程表示器件的物理模型。半導(dǎo)體器件在不同的工作條件下將有不同的等效電路模型。例如直流模型、交流小信號(hào)模型、交流大信號(hào)模型、瞬態(tài)模型等是各不相同的。二極管等效電路模型 端電壓V與結(jié)電壓VD的關(guān)系是： SDDRIVV1DSDtVnVeII其中 高頻下：勢(shì)壘電容Cj：擴(kuò)散電容Cd：m

3、VVCC0Dj0j1tTTVnIdVdIdVdQCDDDDd 二極管在反向偏壓很大時(shí)會(huì)發(fā)生擊穿。專門設(shè)計(jì)在擊穿狀態(tài)下工作的二極管稱為齊納二極管。但二極管的電流電壓方程沒有預(yù)示這種擊穿，實(shí)際電路設(shè)計(jì)中需借助SPICE等模擬工具來大致確定擊穿電壓值。參 數(shù) 名公式中符號(hào)SPICE中符號(hào)單 位SPICE中默認(rèn)值飽和電流ISISA1.0E-14發(fā)射系數(shù)nN-1串聯(lián)體電阻RSRS0渡越時(shí)間TTTSec0零偏勢(shì)壘電容Cj0CJ0F0梯度因子mM-0.5PN結(jié)內(nèi)建勢(shì)壘V0VJV1二極管模型參數(shù)對(duì)照表 所謂電子噪聲是指電子線路中某些元器件產(chǎn)生隨機(jī)起伏的電信號(hào)。這些信號(hào)一般是與電子或其它載流子的電擾動(dòng)相聯(lián)系的。

4、一般包括：熱噪聲白噪聲和半導(dǎo)體噪聲。半導(dǎo)體噪聲包括散彈噪聲、分配噪聲、閃爍噪聲1/f噪聲和場(chǎng)效應(yīng)管噪聲。n 熱噪聲 ：S2n4RkTAIn 閃爍1/f噪聲和散粒噪聲 ：DD2n21IqfIKFIAFKF和AF是噪聲系數(shù)雙極型晶體管模型： （1） Ebers-Moll即EM模型 Ebers和Moll于1954年提出 （2Gummel-Poon即GP模型 Gummel和Poon 于1970年提出 1exp1expBCRSBESCttVVIVVII1exp1expBCSBEFSEttVVIVVIIEM電流方程 ：EM直流模型 ：晶體管KVL和KCL方程： ECBIIIBCBECEVVV這四個(gè)獨(dú)立的方

5、程描述了雙極型晶體管的特性 。 雖然NPN晶體管常被設(shè)想為在兩個(gè)N溝層之間夾著一個(gè)P型區(qū)的對(duì)稱型三層結(jié)構(gòu)。但與MOS器件不同的是：集電區(qū)與發(fā)射區(qū)這兩個(gè)電極不能互換。注意：注意：改進(jìn)的改進(jìn)的EM模型模型 改進(jìn)的EM模型用了電荷控制觀點(diǎn)，模型中增加了電容Cbe 、Cbc并進(jìn)一步考慮了集成電路中集電結(jié)對(duì)襯底的電容Cjs 。增加了發(fā)射極、基極和集電極串聯(lián)電阻，模型對(duì)晶體管直流特性的描述更精確，使飽和區(qū)及小信號(hào)下的直流特性更符合實(shí)際。電容及電阻引入也使交流和瞬態(tài)特性的表征更為完善 。EM小信號(hào)等效電路 gmF：正向區(qū)跨導(dǎo)r：輸入電阻r0：輸出電阻gmR：反向區(qū)跨導(dǎo)r：集電極-基極電阻C ：基極-集電極電

6、容CCS ：集電極-襯底電容C：發(fā)-基極等效電容jebCCC雙極型晶體管的雙極型晶體管的GP模型模型 v GP模型對(duì)EM2模型作了以下幾方面的改進(jìn) ：v （1直流特性v 反映了基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)，改善了輸出電導(dǎo)、電流增益和特征頻率。反映了共射極電流放大倍數(shù)隨電流和電壓的變化 。v （2交流特性 v 考慮了正向渡越時(shí)間F隨集電極電流IC的變化，解決了在大注入條件下由于基區(qū)展寬效應(yīng)使特征頻率fT和IC成反比的特性 。v （3考慮了大注入效應(yīng)，改善了高電平下的伏安特性 v （4考慮了模型參數(shù)和溫度的關(guān)系 v （5根據(jù)橫向和縱向雙極晶體管的不同，考慮了外延層電荷存儲(chǔ)引起的準(zhǔn)飽和效應(yīng) 。v GP直流模型

7、GP小信號(hào)模型 MOS管的結(jié)構(gòu)尺寸縮小到亞微米范圍后，多維的物理效應(yīng)和寄生效應(yīng)使得對(duì)MOS管的模型描述帶來了困難。模型越復(fù)雜，模型參數(shù)越多，其模擬的精度越高。但高精度與模擬的效率相矛盾。依據(jù)不同需要，常將MOS模型分成不同級(jí)別。SPICE2中提供了幾種MOS場(chǎng)效應(yīng)管模型，并用變量LEVEL來指定所用的模型。LEVEL1 MOS1模型 Shichman-Hodges模型LEVEL2 MOS2模型 二維解析模型LEVEL3 MOS3模型 半經(jīng)驗(yàn)短溝道模型LEVEL4 MOS4模型 BSIMBerkeley short-channel IGFET model模型MOS1模型是MOS晶體管的一階模型，

8、描述了MOS管電流-電壓的平方率特性，它考慮了襯底調(diào)制效應(yīng)和溝道長度調(diào)制效應(yīng)。適用于精度要求不高的長溝道MOS晶體管。（1線性區(qū)非飽和區(qū)） 當(dāng)VGSVTH，VDSVTH，VDSVGSVTH，MOS管工作在飽和區(qū)。電流方程為： DS2THGS0PDS122VVVLLWKID（3兩個(gè)襯底PN結(jié)兩個(gè)襯底結(jié)中的電流可用類似二極管的公式來模擬。 當(dāng)VBS0時(shí) 1expBSSSBSkTqVII當(dāng)VBS0時(shí) BSSSBSVkTqII當(dāng)VBD0時(shí) 1expBDSDBDkTqVIIu二階模型所使用的等效電路和一階模型相同 ，但模型計(jì)算中考慮了各種二階效應(yīng)對(duì)MOS器件漏電流及閾值電壓等特性的影響。這些二階效應(yīng)包括

9、： （1溝道長度對(duì)閾值電壓的影響；（2漏柵靜電反饋效應(yīng)對(duì)閾值電壓的影響；（3溝道寬度對(duì)閾值電壓的影響；（4遷移率隨表面電場(chǎng)的變化；（5溝道夾斷引起的溝道長度調(diào)制效應(yīng)；（6載流子漂移速度限制而引起的電流飽和效應(yīng)；（7弱反型導(dǎo)電。（1短溝道對(duì)閾值電壓的影響 溝道長度L的減少，使襯底耗盡層的體電荷對(duì)閾值電壓貢獻(xiàn)減少。體電荷的影響是由體效應(yīng)閾值系數(shù)體現(xiàn)的，它的變化使V TH變化。考慮了短溝效應(yīng)后的體效應(yīng)系數(shù)S為： 12121jD0jSXWLLX可見，當(dāng)溝道長度L減小時(shí)閾值電壓降低，而溝道寬度W變窄時(shí)閾值電壓提高。22FSBsT0THVVVF（2靜電反饋效應(yīng) 隨著VDS的增加，在漏區(qū)這一邊的耗盡層寬度會(huì)

10、有所增加，這時(shí)漏區(qū)和源區(qū)的耗盡層寬度WD和WS分別為： DSBSFDD2VVXWBSFDS2VXWSUBD2qNXSi上式中， ，因此S修正為： SDDDXWXWLLX11211212211jSj0jS可見，由于VDS的增加而造成的WD增加，會(huì)使閾值電壓進(jìn)一步下降。 22FSBsT0THVVVF（3窄溝道效應(yīng)實(shí)際的柵總有一部分要覆蓋在場(chǎng)氧化層上(溝道寬度以外)，因此場(chǎng)氧化層下也會(huì)引起耗盡電荷。這部分電荷雖然很少，但當(dāng)溝道寬度W很窄時(shí)，它在整個(gè)耗盡電荷中所占的比例將增大。與沒有“邊緣效應(yīng)時(shí)的情況相比較，柵電壓要加得較大才能使溝道反型。這時(shí)V TH被修正為：SBFoxSiFSBFT0H2422VW

11、CVVVT（4遷移率修正 在柵電壓增加時(shí)，表面遷移率率會(huì)有所下降，其經(jīng)驗(yàn)公式為：EXPtraTHGSOXcritOXSi0SEVEVVtEDS式中， 0表面遷移率；Ecrit為柵-溝道的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度；Etra是橫向電場(chǎng)系數(shù)，它表示VDS對(duì)柵-溝道電場(chǎng)的影響；EEXP為遷移率下降的臨界指數(shù)系數(shù)。（5溝道長度調(diào)制效應(yīng) 當(dāng)VDS增大時(shí)，MOS管的漏端溝道被夾斷并進(jìn)入飽和，VDS進(jìn)一步增大，該夾斷點(diǎn)向源區(qū)移動(dòng)，從而使溝道的有效長度減小，這就是溝道長度調(diào)制效應(yīng) 。 在考慮了溝道長度調(diào)制效應(yīng)后，器件的有效溝道長度為：D02LLLDSATDS2VVqNSi式中： （6載流子有限漂移速度引起的電流飽和 對(duì)于同

12、樣的幾何尺寸比、同樣的工藝和偏置，短溝道器件比起長溝道器件來講飽和電流要小。 在MOS2模型中，引入了參數(shù)max表示載流子的最大漂移速率，于是有：CHANDSATmaxWQI（7弱反型導(dǎo)電 MOSFET并不是一個(gè)理想的開關(guān)，實(shí)際上當(dāng)VGSVTH時(shí)在表面處就有電子濃度，也就是當(dāng)表面不是強(qiáng)反型時(shí)就存在電流。這個(gè)電流稱為弱反型電流或次開啟電流。SPICE2中定義一個(gè)新的閾值電壓VON，它標(biāo)志著器件從弱反型進(jìn)入強(qiáng)反型。當(dāng)VGSVON時(shí)為弱反型，當(dāng)VGSVON時(shí)，為強(qiáng)反型。qnkTVVTHON在弱反型導(dǎo)電時(shí)，漏源電流方程為： ONGSONDSexpVVnkTqII MOS3模型是一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，適用于短

13、溝道器件，對(duì)于溝長2m的器件所得模擬結(jié)果很精確。在MOS3中考慮的器 件二階效應(yīng)如下：（1漏源電壓引起的表面勢(shì)壘降低而使閾值電壓下降的靜 電反饋效應(yīng)；（2短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)對(duì)閾值電壓的影響；（3載流子極限漂移速度引起的溝道電流飽和效應(yīng)；（4表面電場(chǎng)對(duì)載流子遷移率的影響。 MOS3模型參數(shù)大多與MOS2相同，但其閾值電壓、飽和電流、溝道調(diào)制效應(yīng)和漏源電流表達(dá)式等都是半經(jīng)驗(yàn)公式，并引入了新的模型參數(shù)：EAT）、THETA和KAPPA）。下面分別討論MOS3半經(jīng)驗(yàn)公式及這三個(gè)參數(shù)的意義：（1閾值電壓的半經(jīng)驗(yàn)公式BSFNBSFS3OX22FFBTH221015. 82VFVFLCVV式中，是模擬靜

14、電反饋效應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)， FS為短溝道效應(yīng)的校正因子。 （1閾值電壓的半經(jīng)驗(yàn)公式 在MOS3中采用改進(jìn)的梯形耗盡層模型，考慮了圓柱形電場(chǎng)分布的影響，如下圖。圖中Wc為圓柱結(jié)耗盡層寬度，Wp為平面結(jié)耗盡層寬度 。（2表面遷移率調(diào)制 表示遷移率和柵電場(chǎng)關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式為：THGS0S1VV式中經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)稱為遷移率調(diào)制系數(shù) 。（3溝道長度調(diào)制減小量的半經(jīng)驗(yàn)公式 當(dāng)VDS大于VDSAT時(shí)，載流子速度飽和點(diǎn)的位置逐漸移向源區(qū)，造成溝道長度調(diào)制效應(yīng)。溝道長度的減小量L為： 222DPDSATDS2D22DPDXEVVXXEXL上式中，EP為夾斷點(diǎn)處的橫向電場(chǎng)，為飽和電場(chǎng)系數(shù)。（1PN結(jié)電容結(jié)電容由底部勢(shì)

15、壘電容和側(cè)壁勢(shì)壘電容兩部分組成： SWj0BSSjsw00BS0 jBS11mmSVVPCVVACCSWj0BDDjsw00BDDj0BD11mmVVPCVVACC（2柵電容 柵電容CGB，CGS，CGD包括隨偏壓變化及不隨偏壓變化兩部分： CGBCGB1CGB2CGSCGS1CGS2CGDCGD1CGD2 其中不隨偏壓而變的部分是柵極與源區(qū)、漏區(qū)的交疊氧化層電容以及柵與襯底間的交疊氧化層電容(在場(chǎng)氧化層上)，即：CGB2CGB0LCGS2CGS0WCGD2CGD0W（2柵電容 隨偏壓而變的柵電容是柵氧化層電容與空間電荷區(qū)電容相串聯(lián)的部分。列出了不同工作區(qū)柵電容的變化如下：工作區(qū)CGB1CGS

16、1CGD1截止區(qū)COXWLeff00非飽和區(qū)0COXWLeff/2COXWLeff/2飽和區(qū)0(2/3)COXWLeff0不同工作區(qū)的柵電容 漏區(qū)和源區(qū)的串聯(lián)電阻會(huì)嚴(yán)重地影響MOS管的電學(xué)特性，串聯(lián)電阻的存在使加在漏源區(qū)的有效電壓會(huì)小于加在外部端口處的電壓。SPICE2等效電路中插入了兩個(gè)電阻rD和rS，它們的值可在模型語句：“MODEL ”中給定，也可通過MOSFET中的NRD和NRS來確定 。rDRshNRD rSRshNRS 式中，Rsh漏擴(kuò)散區(qū)和源擴(kuò)散區(qū)薄層電阻 ；NRD漏擴(kuò)散區(qū)等效的方塊數(shù)；NRS源擴(kuò)散區(qū)等效的方塊數(shù)。 BSIMBerkeley short-channel IGFET

17、 model模型是專門為短溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管而開發(fā)的模型。在BSIM3模型中考慮了下列效應(yīng)：（1短溝和窄溝對(duì)閾值電壓的影響；（6漏感應(yīng)引起位壘下降；（2橫向和縱向的非均勻摻雜； （7溝道長度調(diào)制效應(yīng)；（3垂直場(chǎng)引起的載流子遷移率下降8襯底電流引起的體效應(yīng)，（4體效應(yīng)； （9次開啟導(dǎo)電問題；（5載流子速度飽和效應(yīng)； （10漏源寄生電阻。n 閾值電壓 （1垂直方向非均勻摻雜 BS2SBSS1T0THVKVKVV（2橫向非均勻摻雜 SAADSeffX1BS2SBSS1T0TH121NNNLLKVKVKVV（3短溝道效應(yīng) THSAADSeffX1BS2SBSS1T0TH121VNNNLLKVKVK

18、VV（4窄溝道效應(yīng) S0effOXBS3b3THWWtVKKVn 遷移率 一個(gè)好的表面遷移率模型對(duì)于MOSFET模型的精度是致關(guān)重要的。一般講，遷移率與很多工藝參數(shù)及偏置條件有關(guān)。BSIM3中所提供的遷移率公式是： 2OXTHGSBOXTHGSBSCA0eff1tVVUtVVVUUn 載流子漂移速度：載流子速度達(dá)到飽和時(shí)的臨界電場(chǎng) ：載流子飽和速度 ESAT 式中 ：SATn 體電荷效應(yīng)effBS,cta1eff02depjeffeffTHGSgsdep1effeff0effBS,1bulkK1121221VBWBXXLLVVAXXLLAVKAS式中，A0，Ags，B0，B1和Keta由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以確定， A0溝道長度的體電荷效應(yīng)系數(shù)； AgsAbulk的柵偏壓系數(shù)