無生產(chǎn)線集成電路設(shè)計高級研討班課件

無生產(chǎn)線集成電路設(shè)計高級研討班課件6.1無源器件結(jié)構(gòu)及模型6.2二極管電流方程及SPICE模型6.3雙極晶體管電流方程及SPICE模型6.4結(jié)型場效應(yīng)管JFET模型6.5MESFET模型6.6MOS管電流方程及SPICE模型6.7SPICE數(shù)模混合仿真程序的設(shè)計流程及方法26.1無源器件結(jié)構(gòu)及模型集成電路中的無源元件包括:互連線、電阻、電容、電感、傳輸線等36.1.1互連線互連線設(shè)計應(yīng)該注意以下方面：大多數(shù)連線應(yīng)該盡量短最小寬度保留足夠的電流裕量多層金屬趨膚效應(yīng)和寄生參數(shù)（微波和毫米波）寄生效應(yīng)46.1.2電阻實(shí)現(xiàn)電阻有三種方式：1.晶體管結(jié)構(gòu)中不同材料層的片式電阻（不準(zhǔn)確）2.專門加工制造的高質(zhì)量高精度電阻3.互連線的傳導(dǎo)電阻5圖(a)單線和U-型電阻結(jié)構(gòu)

(b)它們的等效電路阻值計算最小寬度6圖柵漏短接的MOS有源電阻及其I-V曲線Ron直流電阻Ron>交流電阻rds1.柵、漏短接并工作在飽和區(qū)的MOS有源電阻

7圖飽和區(qū)的NMOS有源電阻示意圖直流電阻Ron<交流電阻rds條件：VGS保持不變2.VGS保持不變的飽和區(qū)有源電阻8對于理想情況，Oˊ點(diǎn)的交流電阻應(yīng)為無窮大，實(shí)際上因?yàn)闇系篱L度調(diào)制效應(yīng)，交流電阻為一個有限值，但遠(yuǎn)大于在該工作點(diǎn)上的直流電阻。在這個工作區(qū)域，當(dāng)漏源電壓變化時，只要器件仍工作在飽和區(qū)，它所表現(xiàn)出來的交流電阻幾乎不變，直流電阻則將隨著漏源電壓變大而變大。9總結(jié)：

有源電阻的幾種形式(a)(d)和(c)直流電阻Ron<交流電阻rds(b)和(e)直流電阻Ron>交流電阻rds106.1.3電容在高速集成電路中，有多種實(shí)現(xiàn)電容的方法：1）利用二極管和三極管的結(jié)電容；2）利用圖6.5(a)所示的叉指金屬結(jié)構(gòu)；3）利用圖6.5(b)所示的金屬-絕緣體-金屬(MIM)結(jié)構(gòu)；4）利用類似于圖6.5(b)的多晶硅/金屬-絕緣體-多晶硅結(jié)構(gòu)；11圖6.5(a)叉指結(jié)構(gòu)電容和(b)MIM結(jié)構(gòu)電容

12電容平板電容公式高頻等效模型自諧振頻率f0

品質(zhì)因數(shù)Qf<f0/3136.1.4電感引言集總電感單匝線圈版圖

a，w取微米單位

14式中：ri=螺旋的內(nèi)半徑，微米，r0=螺旋的外半徑，微米，N=匝數(shù)。多匝螺旋形線圈電感值計算公式為：

15電感電感精度：電感模型16傳輸線電感獲得單端口電感的另一種方法是使用長度l<l/4λ波長的短電傳輸線(微帶或共面波導(dǎo))或使用長度在l/4λ<l<l/2λ范圍內(nèi)的開路傳輸線。

雙端口電感與鍵合線電感短路負(fù)載：開路負(fù)載：176.1.5分布參數(shù)元件集總元件和分布元件隨著工作頻率的增加，一些諸如互連線的IC元件的尺寸變得很大，以致它們可以與傳輸信號的波長相比。這時，集總元件模型就不能有效地描述那些大尺寸元件的性能，應(yīng)該定義為分布元件。

18微帶線(a)(b)圖

典型微帶線的剖面圖(a)和覆蓋鈍化膜的微帶線(b)19TEM波傳輸線的條件

GaAs襯底的厚度<200um20微帶線設(shè)計需要的電參數(shù)主要是阻抗、衰減、無載Q、波長、遲延常數(shù)。阻抗計算

微帶線的衰減α由兩部分組成：導(dǎo)線損耗和介質(zhì)損耗形成微帶線的基本條件是，介質(zhì)襯底的背面應(yīng)該完全被低歐姆金屬覆蓋并接地，從而使行波的電場主要集中在微帶線下面的介質(zhì)中。w/h<1w/h>121共面波導(dǎo)(CPW)(a)(b)圖

常規(guī)共面波導(dǎo)(a)與雙線共面波導(dǎo)(b)22CPW傳輸TEM波的條件CPW的阻抗計算由ZL計算CPW的寬度W:對應(yīng)于厚襯底/薄襯底有效介電常數(shù)有變化CPW的衰減計算23相對于微帶線，CPW的優(yōu)點(diǎn)是：1）工藝簡單，費(fèi)用低，因?yàn)樗薪拥鼐€均在上表面而不需接觸孔。2）在相鄰的CPW之間有更好的屏蔽，因此有更高的集成度和更小的芯片尺寸。3）比金屬孔有更低的接地電感。4）低的阻抗和速度色散。CPW的缺點(diǎn)是：1）衰減相對高一些，在50GHz時，CPW的衰減是0.5dB/mm;2）由于厚的介質(zhì)層，導(dǎo)熱能力差，不利于大功率放大器的實(shí)現(xiàn)。246.1無源器件結(jié)構(gòu)及模型6.2二極管電流方程及SPICE模型6.3雙極晶體管電流方程及SPICE模型6.4結(jié)型場效應(yīng)管JFET模型6.5MESFET模型6.6MOS管電流方程及SPICE模型6.7SPICE數(shù)?；旌戏抡娉绦虻脑O(shè)計流程及方法（見CH06-2課件）256.2二極管電流方程及SPICE模型集成電路和半導(dǎo)體器件的各類特性都是PN結(jié)相互作用的結(jié)果，它是微電子器件的基礎(chǔ)。如果通過某種方法使半導(dǎo)體中一部分區(qū)域?yàn)镻型，另一部分區(qū)域?yàn)镹型，則在其交界面就形成了PN結(jié)。以PN結(jié)構(gòu)成的二極管的最基本的電學(xué)行為是具有單向?qū)щ娦浴?6圖6.9二極管等效電路模型

Cj和Cd分別代表PN結(jié)的勢壘電容和擴(kuò)散電容。

RS代表從外電極到結(jié)的路徑上通常是半導(dǎo)體材料的電阻，稱之為體電阻。

27表6.1二極管模型參數(shù)對照表

286.2.2二極管的噪聲模型熱噪聲在寄生電阻RS上產(chǎn)生的熱噪聲：2.閃爍（1/f）噪聲和散粒噪聲理想二極管產(chǎn)生的1/f噪聲和散粒噪聲：296.1無源器件結(jié)構(gòu)及模型6.2二極管電流方程及SPICE模型6.3雙極晶體管電流方程及SPICE模型6.4結(jié)型場效應(yīng)管JFET模型6.5MESFET模型6.6MOS管電流方程及SPICE模型6.7SPICE數(shù)?；旌戏抡娉绦虻脑O(shè)計流程及方法（見CH06-2課件）306.3雙極晶體管電流方程及SPICE模型SPICE中的雙極型晶體管模型常采用Ebers-Moll（即EM）模型和Gummel-Poon（即GP）模型。這兩種模型均屬于物理模型，其模型參數(shù)能較好地反映物理本質(zhì)且易于測量，所以便于理解和使用。31圖6.10EM直流模型

32由于這種EM模型將電流增益作為頻率的函數(shù)來處理，對計算晶體管存貯效應(yīng)和瞬態(tài)特性不方便，所以改進(jìn)的EM模型用了電荷控制觀點(diǎn)，即增加電容到模型中。并進(jìn)一步考慮到發(fā)射極、基極和集電極串聯(lián)電阻，以及集成電路中集電結(jié)對襯底的電容，于是得到EM2模型。33

圖6.11EM2模型

34圖6.12EM小信號等效電路

35表6.2雙極型晶體管部分模型參數(shù)在SPICE中的符號名稱36GP模型是1970年由H．K．Gummel和H．C．Poon提出的。

GP模型對EM2模型在以下幾方面作了改進(jìn)：

1.直流特性：反映了集電結(jié)上電壓的變化引起有效基區(qū)寬度變化的基區(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)β隨電流和電壓的變化。

2.交流特性：考慮了正向渡越時間τF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。

3.考慮了大注入效應(yīng)，改善了高電平下的伏安特性。

4.考慮了模型參數(shù)和溫度的關(guān)系。

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引起的準(zhǔn)飽和效應(yīng)。37圖6.13GP直流模型

38圖6.14GP小信號模型

GP小信號模型與EM小信號模型十分一致，只是參數(shù)的值不同而已。396.1無源器件結(jié)構(gòu)及模型6.2二極管電流方程及SPICE模型6.3雙極晶體管電流方程及SPICE模型6.4結(jié)型場效應(yīng)管JFET模型6.5MESFET模型6.6MOS管電流方程及SPICE模型6.7SPICE數(shù)?；旌戏抡娉绦虻脑O(shè)計流程及方法（見CH06-2課件）40N溝JFET的結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號41結(jié)型場效應(yīng)JFET(NJF/PJF)

模型

JFET模型源于Shichman和Hodges給出的FET模型。其直流特性由反映漏極電流隨柵極電壓變化的參數(shù)VTO和BETA、確定輸出電導(dǎo)的參數(shù)LAMBDA和柵-源結(jié)與柵-漏結(jié)飽和電流的參數(shù)IS共同描述。包含了RD和RS兩個歐姆電阻。其電荷存儲效應(yīng)由隨結(jié)電壓的平方根變化的柵-源與柵-漏兩個結(jié)的非線性耗盡層電容模擬，參數(shù)為CGS，CGD和PB。42表6.3JFET的SPICE模型參數(shù)436.1無源器件結(jié)構(gòu)及模型6.2二極管電流方程及SPICE模型6.3雙極晶體管電流方程及SPICE模型6.4結(jié)型場效應(yīng)管JFET模型6.5MESFET模型6.6MOS管電流方程及SPICE模型6.7SPICE數(shù)?；旌戏抡娉绦虻脑O(shè)計流程及方法（見CH06-2課件）44MESFET模型源于Statz等給出的GaAs模型其直流特性由反映漏極電流隨柵極電壓變化的參數(shù)VTO、B和BETA，并由確定飽和電壓的參數(shù)ALPHA和確定輸出電導(dǎo)的參數(shù)LAMBDA共同描述，表達(dá)式為模型

包含了RD和RS兩個歐姆電阻。其電荷存儲效應(yīng)由隨結(jié)電壓的平方根變化的柵-源與柵-漏兩個結(jié)的非線性耗盡層電容模擬，參數(shù)為CGS，CGD和PB。45表6.4MESFET的SPICE模型參數(shù)466.1無源器件結(jié)構(gòu)及模型6.2二極管電流方程及SPICE模型6.3雙極晶體管電流方程及SPICE模型6.4結(jié)型場效應(yīng)管JFET模型6.5MESFET模型6.6MOS管電流方程及SPICE模型6.7SPICE數(shù)?；旌戏抡娉绦虻脑O(shè)計流程及方法（見CH06-2課件）47SPICE集成電路分析程序與MOSFET模型HSpice中常用的幾種MOSFET模型Level=1 Shichman-HodgesLevel=2 基于幾何圖形的分析模型

Grove-FrohmanModel(SPICE2G)Level=3 半經(jīng)驗(yàn)短溝道模型(SPICE2G)Level=49 BSIM3V3BSIM,3rd,Version3Level=50 PhilipsMOS948MOSFET一級模型(Level=1)

描述I和V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).非飽和區(qū)飽和區(qū)

KP=μCox本征跨導(dǎo)參數(shù)Cox=ox/Tox單位面積的柵氧化層電容LO有效溝道長度,L版圖柵長,LD溝道橫向擴(kuò)散長度49MOSFET一級模型(Level=1)(續(xù))MOSFET的閾值電壓Vto本質(zhì)上由柵級上的電荷,絕緣層中的電荷和溝道區(qū)電荷之間的平衡決定的,表達(dá)式為:

VTO是Vbs=0時的閾值電壓

Vbs是襯底到源區(qū)的偏壓 為體效應(yīng)閾值系數(shù),它反映了Vto隨襯-源偏置Vbs的變化,表達(dá)式為:50MOSFET一級模型(Level=1)(續(xù))NSUB為襯底(阱)摻雜濃度,它也決定了體內(nèi)費(fèi)米勢F當(dāng)半導(dǎo)體表面的費(fèi)米勢等于F時,半導(dǎo)體表面處于強(qiáng)反型,此時表面勢PHI=2Fn型反型層PHI>0,p型反型層PHI<0VFB稱之為平帶電壓,它是使半導(dǎo)體表面能帶和體內(nèi)能帶拉平而需在柵級上所加的電壓.MS為柵金屬與半導(dǎo)體硅的功函數(shù)之差除以電子電荷.其數(shù)值與硅的摻雜類型,濃度以及柵金屬材料有關(guān).VFB=MS

QSS/COX51MOSFET一級模型(Level=1)(續(xù))柵材料類型由模型參數(shù)TPG決定.柵氧化層與硅半導(dǎo)體的表面電荷密度QSS=qNSSNSS為表面態(tài)密度,其模型參數(shù)為NSS.N溝道硅柵增強(qiáng)型MOSFET:VFB

-1.2V,PHIN溝道硅柵耗盡型MOSFET:VFB

模型參數(shù)LAMBDA()為溝道長度調(diào)制系數(shù).其物理意義為MOSFET進(jìn)入飽和區(qū)后單位漏-源電壓引起的溝道長度的相對變化率.52MOSFET一級模型直流特性涉及的模型參數(shù)VTO VTO

襯底零偏置時源閾值電壓KP 本征跨導(dǎo)參數(shù)GAMMA

體效應(yīng)閾值系數(shù)PHI 2F

強(qiáng)反型使的表面勢壘高度LAMBDA

溝道長度調(diào)制系數(shù)UO μo/μn

表面遷移率L 溝道長度LD 溝道長度方向上橫向擴(kuò)散長度W 溝道寬度TOX TOX

柵氧化層厚度TPG 柵材料類型NSUB NSUB

襯底(阱)摻雜濃度NSS NSS

表面態(tài)密度.53VTO,KP,GAMMA,PHI,LAMBDA是器件參數(shù).TOX,TPG,NSUB,NSS是工藝參數(shù).若用戶僅給出了工藝參數(shù),SPICE會計算出相應(yīng)的器件參數(shù).MOSFET一級模型直流特性涉及的模型參數(shù)IS: 襯底結(jié)飽和電流(省缺值為0)JS 襯底結(jié)飽和電流密度N: 襯底PN結(jié)發(fā)射系數(shù)AS: 源區(qū)面積PS: 源區(qū)周長AD: 漏區(qū)面積PD: 漏區(qū)周長JSSW: 襯底PN結(jié)側(cè)壁單位長度的電流54上列8個參數(shù)用于計算1)襯底電流 2)襯-源PN結(jié)漏電流3)襯-漏PN結(jié)漏電流其中,MOSFET一級模型直流特性涉及的模型參數(shù)Iss=ASJS+PSJSSWIds=ADJS+PDJSSWIb=Ibs+Ibd55MOSFET二級模型方程

取消了漸變溝道近似分析法中的一些簡化假設(shè)。特別是在計算整體耗盡電荷時，考慮到了溝道電壓的影響。同時對基本方程進(jìn)行一系列半經(jīng)驗(yàn)性的修正,包括表層載流子遷移率隨柵極電壓的變化,引入了襯底摻雜擬合參數(shù)NA，反映載流子速率飽和特性的擬合參數(shù)Neff,確定亞閾值電壓—電流特性曲線的斜率快速表面態(tài)匹配參數(shù)NFS等。本質(zhì)上也包括了短、窄溝道效應(yīng)的相關(guān)方程。

56MOSFET三級模型,

半經(jīng)驗(yàn)短溝道模型(Level=3)精確描述各種二級效應(yīng),又節(jié)省計算時間.計算公式中考慮了1)漏源電源引起的表面勢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)表面電場對載流子遷移率的影響.沿溝道方向(Y方向)的閾值電壓半經(jīng)驗(yàn)公式:

57MOSFET三級模型,半經(jīng)驗(yàn)短溝道模型(Level=3)(續(xù))靜電反饋系數(shù)ETA是模擬靜電反饋效應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù).載流子s隨VGS而變化THETA稱之為遷移率調(diào)制系數(shù),是模型參數(shù).溝道長度調(diào)制減小量L的半經(jīng)驗(yàn)公式為:k稱之為飽和電場系數(shù),模型參數(shù)為KAPPA.因此,MESFET三級模型新引入的模型參數(shù)為:ETA,THETA,KAPPA除此之外,MESFET三級模型中的閾值電壓,飽和電壓,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)表達(dá)式.58MOSFET49級模型(Level=49,BSIM3V3)1995MOSFET模型.可用于模擬和數(shù)字電路模擬. 模型考慮了(1) 閾值電壓下降,(2) 非均勻摻雜效應(yīng),(3) 垂直電場引起的遷移率下降,(4) 載流子極限漂移速度引起的溝道電流飽和效應(yīng),(5) 溝道長度調(diào)制(6) 漏源電源引起的表面勢壘降低而使閾值電壓下降的靜電反饋效應(yīng).(7) 襯底電流引起的體效應(yīng)(8) 亞閾值導(dǎo)通效應(yīng)(9) 寄生電阻效應(yīng)59

共有166(174)個參數(shù)!67個DC參數(shù)13個AC和電容參數(shù)2個NQS模型參數(shù)10個溫度參數(shù)11個W和L參數(shù)4個邊界參數(shù)4個工藝參數(shù)8個噪聲模型參數(shù)47二極管,耗盡層電容和電阻參數(shù)8個平滑函數(shù)參數(shù)(在3.0版本中)MOSFET49級模型(Level=49,BSIM3V3)60飛利浦MOSFET模型(Level=50)共有72個模型參數(shù).最適合于對模擬電路進(jìn)行模擬.61不同MOSFET模型應(yīng)用場合L