硕士论文-亚微米、深亚微米CMOS集成电路静电保护结构设计研究.pdf

上海交通大学 硕士学位论文 亚微米、深亚微米cmos集成电路静电保护结构设计研究 姓名：李岷 申请学位级别：硕士 专业：ic设计 指导教师：戴庆元 2002.2.22 j ：海交通人学硕士论文 亚微米、深亚微米c m o s 集成电路静电保护结构设计研究 摘要 本论文首先概述了集成电路中静电释放的基本概念，引入了三种不同的静电 释放模型，人体模型、机器模型和充电器件模型。然后在计算和分析模拟的基础 上，对常用器件，如电阻、二极管、晶体管和晶闸管等在大电流高电压，也就是 静电释放现象出现的情况下的特殊机制和工作机理进行了探索。接着，在这些分 析的基础上，为了更方便、更精确地提供在s p i c e 中进行仿真模拟的途径，建 立了针对静电释放环境下的m o s 管和晶闸管的s p i c e 模型。先计算给出了m o s 管的方程组，根据这些方程，将新的模型添加到s p i c e 的器件模型库中。对于 晶闸管模型，是建立在原有晶体管模型的基础上，利用予电路的概念添加新的模 型。由于器件尺寸进入了亚微米深亚微米尺度，原有的一些成熟的静电保护结构 已经无法满足需要。失效的原因有尺寸太大，启动参数不符等。因此，在本论文 最后一章，利用先前曾加以分析建模的m o s 管，分别针对输入端口、输出端口 和v d d v s s 之间设计了不同的保护结构，以实现集成电路器件内部的全电路静 电保护。对这些新设计的保护结构，分析了它们的工作过程，并在s p i c e 中进 行模拟，给出模拟验证结果。 关键词：静电保护，e s d ，s p i c e巍黟 海交通人学硕上论文 r e s e a r c ho nc m o s i n t e g r a t e dc i r c u i te l e c t r o - s t a t i cd i s c h a r g e p r o t e c t i o nu n d e rm i c r o na n ds u b - m i c r o nc m o s t e c h n o l o g y a b s t r a c t t h i s p a p e rf i r s t l y d e s c r i b e st h ef u n d a m e n t a l c o n c e p t s f o re s d ( e l e c t r o s t a t i c - c h a r g i n g ) a n di n t r o d u c e st h r e ed i f f e r e n te s dm o d e l s ，t h a ti sh u m a n b o d ym o d e l 、m a c h i n em o d e la n dc h a r g e dd e v i c em o d e l ，t h e np r e s e n t st h es p e c i a l w o r k i n g m e c h a n i s m so f c o m m o nd e v i c e ss u c ha sr e s i s t o r 、d i o d e 、t r a n s i s t o ra n ds c r ( s i l i c o nc o n t r o l l e dr e c t i f i e r ) u n d e re s d c o n d i t i o n t oi m p r o v et h ec o n v e n i e n c ea n d t h ep r e c i s i o no fs i m u l a t i o ni ns p i c e ，ic r e a t e dm o st r a n s i s t o rm o d e la n ds c rm o d e l e s dc o n d i t i o n s e r i e so fe q u a t i o n so fm o st r a n s i s t o ra l eg a v eo u tb a s e do nw h i c h n e wm o d e la r ea d d e dt os p i c ed e v i c el i b r a r y f o rs c r ，i ti sb a s e do n o r i g i n a lb i p o l a r m o d e l u s i n gs u b c i r c u i tc o n c e p t ，s c rm o d e la r ec r e a t e d f o rt h er e a s o nt h a tc m o s t e c h n o l o g y c a m ei n t om i c r o na n ds u b m i c r o n w o r l d ，s o m em a t u r e p r o t e c t i o n s t r u c t u r e sa r eo u to fd a t e ，w h i c hd u et ot o ol a r g ed i m e n s i o no ri m p r o p e rt r i g g e r i n g p a r a m e t e r s h e n c e ，i nt h el a s tc h a p t e ro f t h i sp a p e r ，s e v e r a le s d p r o t e c t i o ns t r u c t u r e s f o ro u t p u t ，i n p u ta n dv d d - v s sa r ed e s i g n e dt o i m p l e m e n to n c h i pp r o t e c t i o nf o r c m o si c t h e s en e w p r o t e c t i o ns t r u c t u r e sa r es i m u l a t e di ns p i c eu s i n gt h em o d e l s c r e a t e di nt h i sp a p e r s i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg a v eo u tt ov a l i d a t et h ef u n c t i o n a l i t yo f t h e s es t r u c t l , i r e s k e y w o r d ：e l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g e ，s p i c e ，m o d e l i n g j 海交通大学硕j 论文 1 1 概述 第一章静电保护概述 在半导体1 业中，在、# 导体1 。业中，随着器件的尺寸越来越小，复杂程度越来越 高，静电放电( e s d ，e l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g e ) 对集成电路的潜在威胁性也越来越明显。 放电所导致的高电压会在尺寸极小的器件内部产生高电场和高强度的电流，这种电场 和电流可以击穿绝缘层，并产生大量的热量，引起集成电路的损坏。比如，在一般i 作环境中，人体带电量约为o 6 心，而人体的电容量大约为15 0 p f 。当这样的人体接 触到集成电路管脚时，会在约1 0 0 纳秒的时间内将4 0 0 0 v ，甚至更高的电压导入器1 ，| ： 内部，并产生安培级的电流，这无疑会导致器件内部电路产生热损伤和电损伤f 3 】。事实 上，半导体器件在生产、封装、传递、试验、运输、调试及现场运行时，都暴露在意 想不到的静电损伤危险下。也就是说，静电保护贯穿于集成电路的整个生命周期中。 在静电保护的各种手段中，最主要也是最有效的方式就是在集成电路内部电路结 构设计时，加入静电保护电路结构。静电保护结构的作用就是，当静电压产生时，能 将其安全地释放，防止其被导入器件内部工作电路。实际上，设计有效的静电保护结 构是一个长期的，不断发展的过程。一个好的，具有较强抗静电能力的保护结构，往 往要进行几次重复改进，才能完成。而且，原有的一些比较成功的保护结构，随着器 什尺寸进入亚微米、深亚微米尺度后，可靠性和有效性会犬打折扣。因此需要改进甚 至重新设计新的结构。这种改进或没计如果能借助计算机仿真来实现，将会大大提高 设计效率。但是这需要有成体系的静电保护模型可以用米模拟，而这正是所缺乏的1 2 。 在本文中，对静电放电状态下，各种常用器件的特性和j 作机制做了研究和分析。 在这基础上，结合对已有保护结构失效可能性的分析，提出了几种分别应用丁输山端 口、输入端口和电源之间的静电保护结构。对这些保护结构进行分析并试图建立它 们对虑的宏模型。 本文的主要内容与结构如下： 第一章中简要阐述了静电保护的基本概念，描述了静电的三种模型。接着，在第 一二章中对酱通常用器件在e s d 状态下的一些特性加以分析。在此基础上，第三章阐述 了如何在s p i c e 中建立针对e s d 情况的m o s 管模型和晶闸管模型。实际模型已添加 到s p i c e 3 5 中。在第四章中，针对输出端口、输入端口和电源线分别设计了静电保护 结构，使片j 在第二章中建立的模喇对其进行模拟验证。 j 漓交通大学硕十论文 1 2 静电放电模型 根据静电( e s d ) 引起器件火效的三种途径，可以建立三种等效的e s d 模型 1 4 i 。这 三种模型可用米衡量e s d 保护结构的功效和可靠性。其中尤以人体等效模型应用最广。 另外，必须指出的是，尽管e s d 是由丁带电物体的静电压引起的，但真正造成器件损 伤的冈素是人电流导致的商能量。冈此，这些模型都是通过电流来描述静电强度的。 1 2 1 人体等效模型( h b m ，h u m a nb o d ym o d e l ) 人体模型模拟了带电人体接触到接地物体时的放电过程。它的放电曲线如图1 所示。上升时间约为1 0 纳秒，f 降时间约为15 0 纳秒。 li t i ( ) o a 图卜l 通过一个预充电到2 0 0 0 v 的1 0 0 p f 电容对 一个15 施放电，就可以得到这样的曲线。人体 模型可以_ l f j 如图1 2 所示的l c r 电路模拟。c 。为 放电电容，屹为预充电压，寄生电感l l 与r l 一 起决定了上升时间，c ，为线路寄生电容，c f 为 c i 图卜2 r l 测试板寄生电容，r 为负载。通过取定这些元件可以得到精确的放电曲线。通过计算 可以得到，放电电流为 c 。赢0 ) 2 e “s i n h ( 乒雨 ， 其把蜀+ 2 腑，a 0 ) 0 t q l 海交通人学硕j 论文 从等式中可以得剑，上升时间为f = 瓦等毫。在负载为零的情况r ，r ，为 1 5 触，则得到l i 为75 胆。 人体模型是在e s d 测试中应用最j “泛的一种测试方法，在f 文中的分析和仿真中 也主要以这个模型为基础。 1 2 2 机器模型( m m ，m a c h i n em o d e l ) 机器模型模拟了带电仪器或是带电金属容器接触接地物体时的放电过程。它的放 电曲线如图1 3 所示。它也可由如图1 2 所示的l c r 电路得到。 田卜3 放电电流为 ，= 屹c 。告p “s i n h ( 届i ) f ( 1 _ 2 ) 、i a 其r 扣a = r l + 确2 腑，c o o a 在标准中，c 。定义为2 0 0 p f ，r l 为2 5 q ，l l 为2 5 2 h 。这样，振荡频率为7 m h z 。 1 2 3 充电器件模型( c d m ，c h a r g e d d e v i c em o d e l ) 这个模型模拟了器件本身由r 运送或不恰当放置而带上电荷的情况。目前为止， 它没有一个统一的标准。一般来说，该模型的放电时间小于1 纳秒，放电电压约为 1 0 0 0 v 。这个模型还未被广泛使用，因此，在本文的叙述中，并未加以着重阐述。 $ ，)# d # f m r 海交通大学硕士论文 第二章常用器件e s d 特性 e s d 保护结构同样也是由一般器件构成的。但这些器件的i 作机制与它们在正常 l ：作状态f 的机制有很大不同。冈此，了解这些器件在大电流、高电压情况f 的特性 和机理就显得十分重要。在这里，可以通过物理分析以及计算机模拟，得到了一些常 用e s d 保护结构构成的器件在e s d 状态f 的特性和，i ：作机制。这些器件包括，半导体 电阻、p n 结二极管( 止反向) 、n p n ( p n p ) 最n 体管、n m o s ( p m o s ) 管和晶闸管。 2 1 电阻 一般e s d 保护结构中的电阻可由p + 扩散区、n + 扩散区或者是多晶构成。多晶构 成的电阻，由于有氧化层将其与衬底隔离，导热性较差，因此不推荐使用f ”。因此，根 据目前常用的工艺，电阻多由在p 衬底上的n + 扩散区构成。由于空穴电流可被忽略， 所以在较低电流f ，n 型电阻中电流密度为 d = ，。= n 日q a 。e = n 口q v d ( 2 - 1 ) 其中。为掺杂浓度，e 为电场，为电子 迁移率，v d = 肛为载流子漂移速率。 随着电压增大，电场与电流密度相应增大。 此时，电阻呈现线性。当电场增大到 e = 1 0 4 矿c m 时，电子漂移速率达到饱和速率 vz1 0 7c m s 。再增人电压将只会增大电场， 而不会增人电流密度，器件进入饱和状态。饱 和电流为 图 l ，= ，。= n b q v ( 2 2 ) 此时，n 型电阻将不再呈现线性，电流会被限制，约为一常数。若继续增大电压， 载流子反复撞击产生大量空穴。这样就会开始产生空穴电流。当空穴电流火到足以影 响总电流时，会山现负阻现象。这时，电压会开始下降，只要较低的电压就可以维持 电流。这整个过程可_ l ；j 如图2 1 的曲线来说明。 上海交通人学硕1 一论文 2 2二极管 2 2 1 正向偏压 在止常j ：作情况下，二极管正向电流满足， ，= 筹产一争， 陆， 其中k 为波尔兹曼常数，d ( t ) 为少子扩散系数，n 。为掺杂浓度，l d 为扩散长度。 在室温f ，电压每上升大约6 0 m v ，电流大小会增加一个数量级。大电流时，方程 变为 = 1 2 q d n , h 券 陋a ， 使用n 阱构成的二极管中，大电流时，电流主要集中在横向，即p 扩散区与n 扩 散区之间。二极管区域由扩散区的深度和长度确定。而在衬底外延构成的二极管中， 电流主要集中在纵向“。如图2 - 2 所示。 2 2 2 反向偏压 图2 - 2 当反向偏压增人，使得缩处的电场强度达到1 05 v c m 时耗尽区的载流子将获 得足够的能昔，并由丁品格碰撞产生大量电子空穴对。这些新产生的载流子继续被加 速，再碰撞，这就产生了雪崩击穿。空穴电流j 。o 帚l 电子电流i 。o 发生了倍增。冈此电 流变为 ，p = ，o + “p 1 ，o + 口。1 。o ( 2 - 5 ) ，。= ，。o + 口p ，p o + 口。，。o ( 2 - 6 ) 海交通大学硕l 论史 其中口。、口。分别为电子空穴电离系数。 雪崩击穿有一个重要戮雪崩系弛户篇。 防， 般来说，口。口。，因此，m 2 , 2 3p i n 二极管 1 一f 醐晓 小 ( 2 8 ) 在现在的i c 制造1 艺中，二极管通常是这样构成的，两块高掺杂的p 区和n 区被 一块低掺杂的区域隔开，这块低掺杂区域可以是p 衬底上的p 区域或者是n 阱i l o 。以 如图2 - 3 的j p + 一一+ _ 二极管为例。当p + 扩散区的电压升高，主要由电子构成的电流 按照方程变化。n 区中的电场强度逐渐增 强，直到载流子速率达到饱和。此时，电场 也使空穴穿过n 区到达一+ 结，降低了 该结处的空间电荷，从而使得更多的电子可 p +h 胃+ _ 一l 睡2 - 3 以注入n 区。这样，只需要较低的电压就可以维持相同的电流。这样的负阻特性使得 p - i n 二极管在人电流时的导通电阻小于小电流时，也就是说对于e s d 保护来说，具有 较好的特性。 2 3晶体管 在现在的m o s 管和舣极型晶体管工艺中，保护器件很多都根据敬极型晶体管的】 作模式来设计，因此，了解晶体管的工作特性，对设计高效e s d 保护结构来说至关重 要。对于正常r 作状态下的晶体管特性，可以从众多文献中找到，这里不再赘述。r 面主要对人电流、人注入状态f 的晶体管特性作一些探讨和研究。 对于晶体管的性能来说，有四个重要的参数，共基极放大系数a ，共发射极放人系 数，基极传输系数口7 和发射效率y 。在大电流注入r ，会旱现如图2 _ 4 所示的 特性，也就是电流增人到一定程度时，会f 降。这 是由二随着集电结电流增人，注入到基区的少子密度# 。 增人到可与基区多子密度相比拟。这样，注入的载流 子提高了基区掺杂，井使得发射效率y 与放夫系数 降低。另外，在人电流情况f ，基区的多子电流导致 了在发射区宽度上电压的r 降，这使发射区不同区域 的压降有很人不同。所以，发射区有效区域变小，也 图2 4 上海交通大学硕士论文 引起了放人系数口的减小。 基极传输系数叩一筹。冈此，对于基区宽姚删、的器件，叩。 另外一个较重要的参数是基区渡越时间f 。它决定了从发射结注入的电子到达集 电结使晶体管开启的时间。在人电流时 电结的少子电流，此时有 渺2 f 8 2 4 d 7 发射区与集电区之间的高电场增人了流向集 ( 2 - 9 ) 其中见为有效少子扩散系数，w 为基区宽度。若基区宽度为1 i t m ，则f 。约为 2 5 0 p s ，完全能满足e s d 保护的需要。 在静电放电时，可以通过以f 两种方式为晶体管开启提供偏压。 其一是，晶体管的基极可直接或者是通过一个电阻与发射极相 连，如图2 - 5 。这种方式通过器件内部雪崩击穿产生的载流子提供自 偏压。一开始，集电结的高阻抗使得圪。只能产生很小的正向集电极 电流，。随着电压增大，集电结发生雪崩击穿，注入基区的空穴电 垂2 - 5 流构成的基极电流通过基极电阻r b 和外加电阻r 。，为晶体管开启 提供了偏压。 。= 月( r b + r e x , ) v 一口- 晶体管开启，到达反偏集电结的电子电流产生了 更多的电子空穴对。有 ( 2 1 1 ) 而雪崩系数m 为该结处电压的函数。随着i e 增大 m 和会减小。如图2 - 6 ，在( k i ，i ，1 ) 处开始减小。 这样，可以认为雪崩系数m 满足 图2 7 生：1 一上 1 。m ( 2 - 10 ) 图2 - 6 吃逐渐f 降至稳定状态同时，b 满足式( 2 ，l o ) 。 ( 2 - 1 2 ) 另外，如图2 7 ，晶体管的偏压由一个电流源器什提供。这个 器件可以是一个晶体管或是处丁反偏状态的_ 二极管。在这种情况 卜海交通大学硕士论文 f ，由丁。已经是止的，冈此所需的m 比前一种要小，而转折点( 一】，1 ) 也比前一种 要小。这对于e s d 保护是相当重要的，冈为它可以保证保护器件在内部电路受到损伤 前发生作用。 2 4 m o s 管 在现在的c m o si j 艺中，集成电路中的m o s 管没有能力承受安培级的电流。同 时，越来越薄的栅氧化层无法承受过高电压。冈此，输入输出端口处的p m o s 或n m o s 很容易遭受e s d 损伤。 在静电放电发生时，m o s 管进入了大电流工作状态。它的工作机理与正常状态r 有很大不同。它的性能主要由m o s 管内部的寄生晶体管决定1 ，如图2 - 8 所示，以 n m o s 为例。 群三 “。 1 图2 - 8 当漏极电压逐渐上升，反偏的漏衬底结耗尽区中的电场逐渐增强，引起雪崩激发 从而导致结的雪崩击穿。产生的电子被电场扫向漏极，增大了漏极电流。而产生的空 穴则向衬底漂移，增人了衬底电流1 m ，类似y - 晶体管中的基极电流。如图所示，随着 ，。，。增人，源衬底结进入正偏状态并使得电子进入衬底。当电子电流密度足以影响剑 漏极电流时，就可以认为寄生晶体管转入开启状态。一个n m o s ，若栅源及衬底都接 地，止向电压或是电流加载到漏极，那么它的i v 曲线就与图2 - 6 类似。m o s 管的漏 极就成为晶体管的集电极，源极成为发射极，而衬底就成为基极。 一口j 寄生晶体管开启，它的l ：作原理就与前面所说的晶体管十分相近。但由丁寄 生晶体管是横向结构，它的基区尺寸就相对比较小。这样，从发射区发射的电子电流 就被限制在基区与发射区的狭小区域内，会导致器件内部的局部高温，从而影响止常 】：作。冈此，一般在设计e s d 保护结构时，应该适当增大发射区的尺寸，进而加强散 热能力1 7 1 。 上海交通大学硕上论文 2 5 晶闸管 品闸管，也就是可控硅，它具有在高阻抗与较低阻抗之间切换的能力 15 】。因此 品闸管也是一类高效的e s d 保护器件。在集成电路中的晶闸管结构与分立器件不同 是一个横向结构，称为横向晶闸管。如图2 - 9 所示为一个横向晶闸管的截面。 阴极 图2 - 9 n 阱中的p + 扩散区为阳极，空穴从阳极注入n 阱；p 阱中的n + 扩散区为阴极，电 子从阴极注入p 阱。 晶闸管可以认为是由两个晶体管构成。一个是p n p 管t 1 ，阳极为发射极，n 阱为 基极，p 阱为集电极。另一个是n p n 管t 2 ，阴极为发射极，p 阱为基极，n 阱为集电 极。 晶闸管可以采取这样的偏压方式。n 阱置固定偏压， 矿；p 阱和阴极接地：一个变化的电压v 加到阳极。晶闸 管的i v 曲线如图所示。当电压v 升高至大于“ ，p n p 管 的发射结正偏从而使得整个晶体管导通开启。电流从p n p 管流剑n 阱使得n p n 管的发射结正偏并导通。这样，n p n 管中从n 阱到阴极的电流就为p n p 管提供了正向偏压。此 时，v 开始r 降产生了负阻现象。v 的最小值就称为保持 电压k 。 v h 品闸管有两个重要参数，开启电流，。与保持电压圪。，w 主要由p 阱电阻r ，一。 决定，也即是由外延层厚度与p 阱掺杂浓度决定。圪在很大程度上取决丁l 与n 阱电 阻r “。一口品闸管开启，它可看作一个p - i - n 二极管，阴极与阳极之间的区域导通 电阻一般在1q 左右，体现了良好的e s d 保护特性。 上海交通大学硕十论文 在作为e s d 保护器件时，晶闸管被当作一个两端器件使用，也就是说，阳极与n 阱相连，阴极与p 阱相连。此时，器件的开启需要n 阱p 结发生雪崩击穿。有两种情 况可以造成器件开启，一是p 扩散区中的空穴电流使阴极正偏，类似t - n p n 管的开启： 一是n 阱中的电子电流使p n p 管开启。一般来说，n p n 管的增菔比p n p 管要人一个 数鼋级，因此n p n 管的开启要比p n p 管来得容易。 开启电压由n 阱和衬底之间的雪崩击穿电压决定。在现在的c m o si 一艺中，这个 电压在4 0 v 左右，显然太高。为了使晶闸管达到要求，一定要降低这个电压。有儿种 方法可以达到这一目的，在后文具体利_ l j 晶闸管设计保护结构时，将作具体介绍 l 海交通大学颁十论文 第三章器件建模 随着微电子器什的发展以及e s d 保护重要性的提高，从经济和效率上考虑，开发 设计人员都希望发展模拟仿真技术，而不是单纯依靠重复性试制实验来进行开发。目 前，在国内实验室使_ l 较多的是s p i c e 通，【 j 电路模拟器，其版本较多，使t 【 j 也比较方便。 s p i c e 已成为美国国家l 业标准，国内外权威的电子学及计算机类刊物和文献出版机构 都接受它的模拟结果作为电路设计的可行性和止确性的分析依据1 9 i 。 然而，s p i c e 包含的内建模型的器件类型比较有限，而且缺乏特殊结构的器件模型。 当进行模拟的过程中有一个不属于那些有限的基本器件时，就要以某种方式来扩展模 拟器。 对设计e s d 保护结构米说，另有一个特殊性。e s d 保护需要研究的是高电压、人 电流情况f 的器件特性。一般的模拟仿真软件，比如s p i c e ，具有的器件模型对正常1 ： 作状态f 的器件特性有高效而精确的计算和分析能力。但是，一旦出现普通l ：作状态 以外的情况，就不能给出精确分析结果。正因为如此，才需要添加新的器件模型以满 足模拟计算的要求。 在本文中，采用的是s p i c e 系列中的s p i c e 3 f 5 模拟软件。之所以选用这个版本， 主要是由于它是目前可以找到的提供了全部源代码，并可直接修改源程序，从而达到 添加新模型目的的一个s p i c e 软件。它的运行平台为l i n u x 。 3 1 s p i c e 简介 s p i c e 是一个通用的电路模拟程序。电路中包含电阻，电容，电感，互电感，独立的电压 和电流源，四类相关电源，导线，和四种常用的半导体器件。它由美国加州大学伯克立分校开 发，目前被广泛应州与各类i cc a d 工具中。比较常见的有p s p i c e 和h s p i c e 等。s p i c e 具有自己的脚本格式，其电路方程采用改进节点法。s p i c e 最早出现于2 0 世纪7 0 年代。本 文采用的s p i c e 3 f 5 处丁第三代i l 。 虽然该版本的s p i c e 也提供了建立宏模型的途径。但由于受s p i c e 本身的限制，它只 允许用户在已有器件模型的基础上定义子电路模块。因此，不能满足需要。但是它既然提供 了全部源代码，就可以直接编写新器件模块，加在源代码中，这样就可以达到添加新器件模 犁的目的。 3 2 模型扩展方式 一种方法，_ i l j 户可使川舆型的f o r t r a n 或c 语言，根据s p i c e 器什模型的结构 使片= | s p i c e 本身或是第三方提供的i + 具，编写源代码以扩展新类型器件的模犁。这样生 成的模型，具有较人灵活性。但这项i ：作比较繁琐，需要对s p i c e 的环境、模型模块的 结构有较深入的了解，并具有较高的编程技巧。而且修改后的模拟器是非标准的。一 口s p i c e 版本更新时可能发生不兼容，需要重新修改”。 另外，s p i c e 还提供了宏模刑的概念。宏模型是电子系统或其子系统、子网络的简 化等效表示。它可以是一个等效电路，也可以是一组数学方程，一族多维数表或是表 达更复杂电路的某种符合形式。宏模型的特点是在一定精度范围内，其端口特性雨j 原 p 海交通大学硕士论文 系统相同，而其结构复杂程度f 降，可方便地讲一个系统作为一个器件进行重用，提 高了仿真效率。但是相对来说，宏模型精度较低，而且必须根据已有的器件模型才能 构造，灵活性较差1 1 ”。 3 3 改进节点法 在电路计算机辅助设计中，建立电路方程的方法有很多，在这里，采用的是改进 再点法1 ”。一般电路的构造方程为 卧恸。制 ( 3 - 1 ) 其中y 1 和z 2 分别表示导纳和阻抗，k 1 和k 2 维两个无量纲的常数，w b l 和w b 2 包括独立电流源和电压源。亦可写为 y b v b + z b i b = w i 改进节点法的思想是把元件分组，即把具有元件导纳表示式的分成一组 元件再归成一组。根据电路k c l 原理有 ( 3 - 2 ) 另一些 a i b = 0 ( 3 3 ) 其中a 为电路拓扑去行关联矩阵，i b 为电流向量。 为了分组的目的，将方程改写为 l i i 【a la 2a 3 】1 2 l j = 0 ( 3 - 4 ) 分块的原则是： ( 1 )i ，是所有具有导纳表示式的元件电流向量，而且这些电流不需要求解。 ( 2 )i ，是所有不具有导纳表示式的元件电流向量，并且还包含电压源的电流以 及那些需要求解的支路电流。 ( 3 )j 是独立电流源。 根据电路k v l 原理有 a 1 v j = 0 ，其中a 1 为电路拓扑去行关联矩阵的转置，v 。为电压向封。 按照上述规则对k c l 方程进行分块 o a j a ； a ； 对构造方程也作同样划分，为 ( 3 5 ) 一 m 一 上海交通大学硕+ 论文 fy 1 v 。= i i 【y 2v 2 + z 2 i2 = w 2 代入后可得到改进节点法的混合矩阵方程 k c l 附加方程 节点 电压 iy n l y 2 a ； 其中y n i = a l y l a t ， 只要解出v n 和1 2 ， j 。= 一a 3 j 。 就可以求出其他电流值。 3 4 i v l o s 管大电流模型 ( 3 - 6 ) ( 3 7 ) 之所以要引入这个模型，是因为在e s d 状态下，m o s 管所承受的电流电压都远人 丁二止常工作状态下的普通值。这造成一些器件特性发生变化，使得原有的模型无法满 足需要。如图3 - 1 为m o s 管的全部特性曲线【1 6 1 。 瞬3 - 1 常州的i 作状态处r 线性区和饱和区，在一般文献中分析较多的也是这两个区域。 雪崩医与回冲区使用较少，在很多文献中只是少量分析了雪崩区的情况，对于同冲区 的特性描述，基本没有。而在静电放电时，会使器件一f 子进入雪崩状态，并进而发 生电压同冲。_ 【 = 是通过电压回冲现象使m o s 管具有抗静电性能，并为使州m o s 管构 造e s d 保护电路提供了可能性。 3 4 1 大电流模型方程 在前一章中，对m o s 管在高电压、人电流情况f 的1 一作状态和特性作了初步的研 究和分析描述。首先，描述一f 在如图3 - 2 所示的n m o s 寄生晶体管在人电流f 的i ： 作情况。 源响流影电源点压节电 1j乩l l i _l k k l加流1 叫刊 附电a z f ：海交通大学硕j 论文 一一 露3 - 2 在衬底电阻上的压降为= ，m r m 。当圪接近0 7 v 时，正偏的源一衬底结使晶 体管导通。衬底电流i m 是漏极高电场区雪崩倍增系数m 的函数a 高电场区的雪崩电 流是由一个小电流i p 产生的6 1 l = t m 一1 ) ip 其中m 有 时= r 1 瓦k 1 e x p r k l 2 瓦( j 历 一 一 一k 。) 】 ( 3 - 8 ) ( 3 9 1 当为零时，。主要由热电流和少子扩散产生。在晶体管开启前，。2 ，m 。 在一般的0 5 mi + 艺中，m 需要达到约2 0 0 州胛，才能使晶体管导通。但在室温 f ，。只有约1 0 爿, u r n 。这样，m 要达到1 0 15 才能通过，p 产生足够的，m 使晶体管 导通，比如，若漏极电压趋向于雪崩击穿电压时，m 会趋于无穷大。 而当k ，人rm o s 闽值电压h 时，源漏之间就会有电流1 s 。这样，就会比前面 所述人得多，冈此，较低的m 就能保证提供足够的，。 晶体管开启后，产生的j ，相当于一个附加电流源，可以使需要的雪崩倍增系数m 进一步降低。这样，“ ，会发生“同冲”，并保持在一个较恒定的电压k 。这个电压 保证了使晶体管保持导通状态的的存在。事实上，。“= f ( r 。，m ，) ，图示为 l 海交通大学硕士论文 m o s 管在寄生晶体管导通后的等效电路。电流源，。就代表了集电极+ 基极的雪崩电流 这个电流提供了晶体管导通所需的，月和，m 1 6 】。 需要指出的是，寄生晶体管的与一般横向晶体管的不同。寄生晶体管的发射 区和集电区由源漏的侧面构成，而且主要是由内部雪崩产生的电流源提供。相反的 横向晶体管的偏压是由外部提供，冈此具有较大的发射区面积，会影响一些诸如电流 增益、电阻之类的参数。 基极电流i 。满足 仁l h 等 - 1 ，其虬为发射结反向黼梳 睁 集电极电流，满足 。钆。h 钏一p tv ，) j k 彻航睁 由r 驯、r 零，上式可简化帆兰。e x p ( 等 o 限z ， 对丁n p n 管，。= q n i , a e d ，其中九。为本征浓度，爿e 为发射区有效面积，d 。 b w b 为电子有效扩散常数，n 。为基区掺杂浓度，w 8 为基区宽度。 类似的，。= 1 q n 瓦, a e d p ，其中n ，为本征浓度，爿r 为发射区有效面积，。，为空 穴有效扩散常数，n ，为发射区掺杂浓度，l “为发射区有效宽度。 寄生晶体管导通后，式可改写为 ，。= ( m 一1 ) ( i m , + ，( ) ( 3 13 ) 其中，与的关系可从通常的m o s 管公式中得到。 产生的电流一部分成为基极电流，。，而男一部分则成为衬底电流，m 。所以有 e 海交通大学硕十论文 在人注入情况f ，由于，。很人，所产生的1 d 。的效果可以铍忽略【“。这样就得 刮了方程组 m = 1 一k i e x p - k 2 ( 一屹。，) l 仁，h 讣 3 4 2 m o s 管大电流模型建立 既然是描述m o s 管在大电流情况下的模型，那么就可以在原有的m o s 管模型基 础上进行修改。将该模型命名为h c m o s ( h i g hc u r r e n t m o s ) 。 首先给出了该器件模型结构，如图3 - 3 s d b 图3 - 3 该模型中实际等效包含了四个受控源，1 。、i 。，、i 。和i 。，分别对应丁前文再 方科。r 为等效衬底电阻。整个器件模型就依赖于这个结构。 接着，每个s p i c e 器什模型有两个重要数据结构，其一是m o d e l 结构，其一二是 i n s t a n c e 结构。先来看看m o d e l 结构，它包含了h c m o s 器件的一些共有特性参数。以 f 对一些要点进行阐述。 t y p e d e f s t r u c ts h c m o s1m o d e l + m o d e ls t r u c t u r ef o rar e s i s t o r + 刖 睁川卜睁m 冲 m - 叫 以 上海交通大学硕士论文 s t r u c ts h c m o s1m o d e l + h c m o s1n e x t m o d e l ：+ p o i n t e rt on e x tp o s s i b l em o d e l + + i nl i n k e dl i s t + h c m o s 1i n s t a n c e + h c m o s1i n s t a n c e s ； + p o i n t e rt ol i s to fi n s t a n c e s + + t h a th a v et h i sm o d e l + i f u i dh c m o s1m o d n a m e ； + p o i n t e rt oc h a r a c t e rs t r i n 9 4 + n a m i n gt h i sm o d e l4 i n th c m o s 1 t y p e ； + d e v i c et y p e ：1 = n m o s + 十一1 = p m o s + d o u b l eh c m o s l t n o m ； + t e m p e r a t u r ea tw h i c hp a r a s + ，+ m e a s u r e d + 7 h c m o s l m o d e l 在模型进行初始化的时候，s p i c e 将需要建立整个电路的双重链表结构。在以上的数据 结构中，第一部分就是有关电路逻辑结构的成员变量。在h c m o sm o d e l 中包含了一个指向 f 一个h c m o sm o d e l 的指针( s t r u c ts h c m o s l m o d e l * h c m o s l n e x t m o d e l ) 。各种h c m o s m o d e l 通过这个指针连接起来形成一个链表。同时，h c m o s i i n s t a n c e h c m o s l i n s t a n c e s 是 在h c m o sm o d e l 中指向该模型的各实例的指针。这样，整个i n s t a n c e s 链表就可以与它所属 的h c m o sm o d e l 相连。这两个指针将模型与该模型的实例添加到电路双重链表中去。 f 面的几个参数意义如下， l f u i dh c m o s l m o d n a m e ：指向包含有模型名称的字符串的指针。 i n th c m o s l m o d t y p e ：表示h c m o sm o d e l 的类型。 i n th c m o s l t y p e ：指定h c m o sm o d e l 为n 型还是p 型。 其他参数与原有的m o s 管模型基本相同，这里不再一一赘述。在后面解释具体模拟计 算时，会就相麻使用作一些必要解释。 另外，需要给出的是h c m o si n s t a n c e 的数据结构，它相对比较复杂。同样就一些主要 参数进行阐述。 s t r u c ts h c m o s l m o d e l + s h c m o s l m o d p t r ；7 + b a c k p o i n t e rt om o d e l + s t r u c ts h c m o s l i n s t a n c e h c m o s l n e x t l n s t a n c e ；+ p o i n t e r t on e x t i n s t a n c eo f + + c u r r e n tm o d e l + f u i dh c m o sln a m e + p o i n t e rt oc h a r a c t e rs t r i n g + + n a m i n gt h i si n s t a n c e + i n th c m o s ls t a t e s ；+ i n d e xi o t od e v i c e ss t a t et a b l e + 以上这一段与m o d e l 结构类似，是一些与电路逻辑结构有关的指针变量以及名字、 状态。接着这一段卢明了在使川改进节点法是需要的结点数目。 i n th c m o s 1d n o d e ；+ n u m b e ro ft h eg a t en o d eo ft h em o s f e t + i n th c m o s 1g n o d e ；+ n u m b e ro ft h eg a t en o d eo ft h em o s l e t + i n th c m o s ls n o d e ：+ n u m b e ro f t h es o u r c en o d eo f t h e1 1 1 0 5 f e t + i n th c m o s lb n o d e ；+ n u m b e ro ft h eb u l kn o d eo ft h em o s f e t + 海交通大学硕上论文 i n th c m o s 1d n o d e p r i m e ：+ n u m b e ro ft h ei n t e r n a ld r a i nn o d eo ft h em o s f e t 。 i n ti - i c m o s ls n o d e p r i m e ；产n u m b e ro f 娟ei n l e r n a is o l r e en o d eo f t h em o s f e l4 住实际模拟计算中，采用的是n r 算法。各受控源的电流是端口电压的函数 i 。= 厂( 。，p k j ，k $ ) 托2 ( 黟，。： 仔 i ，。= 厂( ，k s ) 。 1 1 。= f ( g l 。，i ，。) 为了使_ l j 改进节点法，将其线性化后得到 = i 。+ g k d s uk 凄+ + g k 。ug k + ；+ g k 。；u k + 。l 2 苫k 。：m kumk+l，：kz罟k+：gmksitukk k + 占 。，g ku k + ， = ，：o + g 邯u 舾1 + g ：u 基1 + w 叫 = i ，o + g k d s ud k + ；+ r k f f 。k + ；+ g ：一磊 在以上方程中，参数gk ，g 0 ，g m b k 主程序模块提供t 而初值则为 f 基。= ，k ( u 基，u 岳，u 。k 。) 一g 。ku 。k g ：u 岳一g u 乞 i ，：。= j ( u 基，【，基，【，品) 一g 基u 基一g ：u 急一g 篇u 品，。 1j ：。= 兀( u 基，u 怎，u b ) 一g 盐u 基一g ：u 基一g ：。u 。k 。 ”7 l ：。o = f ，( v ：s ，u ：s ，u g k d 、一g k uk d s g 。k u 。k s g ：g u ：d 此外，在模拟计算过程中，有一个函数h c m o s i | o a d ( i n m o d e l ，c k t ) 会被每一次迭代 反复调用。函数框图如3 - 4 下， 图3 - 4 具体方程计算是在h c m o s c c 文件中。这里列出主要计算程序代码，以供参考 f ( v b s h c m o s1g b s2s o u r c e s a t