第七章_集成电路器件及SPICE模型.ppt

集成电路器件及SPICE模型 洪慧hongh 上次课 第六章MOS场效应管的特性 1 MOSFET的结构和工作原理 2 MOSFET的寄生电容 3 MOSFET的其它特性3 1噪声3 2温度3 3体效应 4 MOSFET尺寸按比例缩小 5 MOSFET的二阶效应 第七章集成电路器件及SPICE模型 1 无源器件结构及模型 2 二极管电流方程及模型 3 三极管电流方程及模型 4 MOS管电流方程及模型 5 Spice仿真流程及方法 引言 集成电路可以认为是由元器件组成的 元器件可以分为两大类 无源器件 有源器件 无源元件包括电阻 电容 电感 互连线 传输线等 有源元件包括二极管 三极管 CMOS管等各类晶体管 器件物理模型 器件物理模型是从半导体基本方程出发 对器件的参数做一定的近似假设 而得到的有解析表达式的数学模型 器件等效电路模型 器件等效电路模型在特定的工作条件下 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 器件在不同的工作条件下将有不同的等效电路模型 例如直流模型 交流小信号模型 交流大信号模型 瞬态模型等是各不相同的 7 1无源器件结构及模型 互连线电阻电容电感分布参数元件 互连线 互连线是各种分立和集成电路的基本元件 互连线的版图设计是集成电路设计中的基本任务 在专门门阵列设计电路中甚至是唯一的任务 互连线设计中应注意的事项 对于各种互连线设计 应该注意以下方面 为减少信号或电源引起的损耗及减少芯片面积 连线尽量短 为提高集成度 在传输电流非常微弱时 如MOS栅极 大多数互连线应以制造工艺提供的最小宽度来布线 互连线设计中应注意的事项 在连接线传输大电流时 应估计其电流容量并保留足够裕量 制造工艺提供的多层金属能有效地提高集成度 在微波和毫米波范围 应注意互连线的趋肤效应和寄生参数 某些情况下 可有目的地利用互连线的寄生效应 深亚微米阶段的互连线技术 CMOS工艺发展到深亚微米阶段后 互连线的延迟已经超过逻辑门的延迟 成为时序分析的重要组成部分 这时应采用链状RC网络 RLC网络或进一步采用传输线来模拟互连线 为了保证模型的精确性和信号的完整性 需要对互连线的版图结构加以约束和进行规整 电阻 集成电路中的电阻分为 无源电阻通常是合金材料或采用掺杂半导体制作的电阻 有源电阻将晶体管进行适当的连接和偏置 利用晶体管的不同的工作区所表现出来的不同的电阻特性来做电阻 无源电阻 合金薄膜电阻 多晶硅薄膜电阻 采用一些合金材料沉积在二氧化硅或其它介电材料表面 通过光刻形成电阻条 常用的合金材料有 1 钽 Ta 2 镍铬 Ni Cr 3 氧化锌SnO2 4 铬硅氧CrSiO 掺杂多晶硅薄膜也是一个很好的电阻材料 广泛应用于硅基集成电路的制造 掺杂半导体电阻 无源电阻 不同掺杂浓度的半导体具有不同的电阻率 利用掺杂半导体的电阻特性 可以制造电路所需的电阻器 根据掺杂方式 可分为 离子注入电阻 扩散电阻 对半导体进行热扩散掺杂而构成的电阻 离子注入方式形成的电阻的阻值容易控制 精度较高 无源电阻的几何图形设计 常用的薄层电阻图形 无源电阻图形尺寸的计算 方块电阻的几何图形 R 0 5 1 0 mMOS工艺中作为导电层的典型的薄层电阻阻值 单位 口 电阻射频等效电路 芯片上的薄层电阻的射频双端口等效电路 衬底电位与分布电容 有源电阻 有源电阻是指采用晶体管进行适当的连接并使其工作在一定的状态 利用它的直流导通电阻和交流电阻作为电路中的电阻元件使用 双极型晶体管和MOS晶体管可以担当有源电阻 有源电阻 MOS有源电阻及其I V曲线 直流电阻 交流电阻 Ron VGS V 有源电阻 有源电阻的几种形式 饱和区的NMOS有源电阻示意图 电容 在集成电路中 有多种电容结构 金属 绝缘体 金属 MIM 结构 多晶硅 金属 绝缘体 多晶硅结构 金属叉指结构 利用二极管和三极管的结电容 MOS电容 MIM电容 制作在砷化镓半绝缘衬底上的MIM电容结构 考虑温度系数时 电容的计算式为 MIM电容 电容模型等效电路 固有的自频率 金属叉指结构电容 MOS结构电容 平板电容和PN结电容都不相同 MOS核心部分 即金属 氧化物 半导体层结构的电容具有独特的性质 它的电容 电压特性取决于半导体表面的状态 随着栅极电压的变化 表面可处于 积累区 耗尽区 反型区 MOS结构电容 MOS电容 a 物理结构 b 电容与Vgs的函数关系 MOS结构电容 MOS动态栅极电容与栅极电压的函数关系 电感 在集成电路开始出现很长一段时间内 人们一直认为电感不能集成到芯片上现在情况不同 集成电路的速度越来越快 芯片上金属结构的电感效应越来越明显 芯片电感的实现成为可能半绝缘GaAs衬底 高阻Si衬底 挖去衬底的空气桥形金属结构使电感获得有用的品质因素 电感 集总电感可以有下列两种形式 单匝线圈 多匝螺旋型线圈 多匝直角型线圈 硅衬底上电感的射频双端口等效电路 传输线电感 单端口电感的另一种方法是使用长度l l 4波长的短电传输线 微带或共面波导 或使用长度在l 4 l l 2范围内的开路传输线 两种传输线类型的电感值计算如下 集总元件 由于尺寸的小型化 几乎所有集成电路的有源元件都可认为是集总元件 前面讨论的无源元件也可作为集总元件来处理 随着工作频率的增加 使得一些诸如互连线的IC元件的尺寸可以与传输信号的波长相比 这时 集总元件模型就不能有效地描述那些大尺寸元件的性能 应该定义为分布元件 分布元件 集成电路设计中的分布元件主要包括微带 Micro strip 型和共面波导 CPW Co PlaneWaveGuide 型的传输线 集成电路中的传输线主要有两个功能 传输信号和构成电路元件 微带线 典型微带线的剖面图 微带线 Micro strip 在一片介质薄板两面形成的两条平行带状导线 微带线设计需要的电参数主要是 阻抗 衰减 无载Q 波长 迟延常数 共面波导 共面波导由中间金属带和作为地平面的两边的金属带构成 常规共面波导 共面波导 相对于微带线 CPW的优点是 工艺简单 费用低 因为所有接地线均在上表面而不需接触孔 在相邻的CPW之间有更好的屏蔽 因此有更高的集成度和更小的芯片尺寸 比金属孔有更低的接地电感 低的阻抗和速度色散 共面波导 CPW的缺点是 衰减相对高一些 由于厚的介质层 导热能力差 不利于大功率放大器的实现 7 2二极管及其SPICE模型 二极管等效电路模型 端电压V与结电压VD的关系是 其中 高频下 势垒电容Cj 扩散电容Cd 二极管在反向偏压很大时会发生击穿 专门设计在击穿状态下工作的二极管称为齐纳二极管 但二极管的电流电压方程没有预示这种击穿 实际电路设计中需借助SPICE等模拟工具来大致确定击穿电压值 二极管模型参数对照表 二极管参数 器件的电子噪声 所谓电子噪声是指电子线路中某些元器件产生随机起伏的电信号 这些信号一般是与电子 或其它载流子 的电扰动相联系的 一般包括 热噪声 白噪声 和半导体噪声 半导体噪声包括散弹噪声 分配噪声 闪烁噪声 1 f噪声 和场效应管噪声 二极管的噪声模型 热噪声 闪烁 1 f 噪声和散粒噪声 KF和AF是噪声系数 7 3双极型晶体管及其SPICE模型 双极型晶体管模型 1 Ebers Moll 即EM 模型 Ebers和Moll于1954年提出 2 Gummel Poon 即GP 模型 Gummel和Poon于1970年提出 EM电流方程 EM直流模型 晶体管KVL和KCL方程 这四个独立方程描述双极型晶体管的特性 双极型晶体管EM模型 虽然NPN晶体管常被设想为在两个N沟层之间夹着一个P型区的对称型三层结构 但与MOS器件不同的是 集电区与发射区这两个电极不能互换 注意 双极型晶体管EM模型 改进的EM模型 改进的EM模型用了电荷控制观点 模型中增加了电容Cbe Cbc并进一步考虑了集成电路中集电结对衬底的电容Cjs 增加了发射极 基极和集电极串联电阻 模型对晶体管直流特性的描述更精确 使饱和区及小信号下的直流特性更符合实际 电容及电阻引入也使交流和瞬态特性的表征更为完善 EM小信号等效电路 gmF 正向区跨导 r 输入电阻 r0 输出电阻 gmR 反向区跨导 r 集电极 基极电阻 C 基极 集电极电容 CCS 集电极 衬底电容 C 发 基极等效电容 双极型晶体管的GP模型 GP模型对EM2模型作了以下几方面的改进 1 直流特性反映了基区宽度调制效应 改善了输出电导 电流增益和特征频率 反映了共射极电流放大倍数 随电流和电压的变化 2 交流特性考虑了正向渡越时间 F随集电极电流IC的变化 解决了在大注入条件下由于基区展宽效应使特征频率fT和IC成反比的特性 3 考虑了大注入效应 改善了高电平下的伏安特性 4 考虑了模型参数和温度的关系 5 根据横向和纵向双极晶体管的不同 考虑了外延层电荷存储引起的准饱和效应 GP直流模型 GP小信号模型 7 4MOS场效应晶体管及其SPICE模型 美国加州伯克利分校 UCBerkeley 在20世纪70年代末推出SPICE软件 包含MOS管模型 1级 2级和3级三个模型 但是 MOS管的结构尺寸缩小到亚微米范围后 多维的物理效应和寄生效应使得对MOS管特性影响很大 这对模型提出了更好的要求 模型越复杂 参数越多 其模拟精度越高 20世纪90年代 UCBerkeley推出BISM3模型 对亚微米MOS器件特性描述更精确 商用版BISM3模型还进行优化 高精度与模拟效率相矛盾 依据不同需要 常将MOS模型分成不同级别 几种常用MOSFET模型 电路模拟常用的Hspice中用到下列以LEVEL变量标明的几种MOSFET模型 LEVEL 1MOS1模型 Shichman Hodges模型LEVEL 2MOS2模型 二维解析模型LEVEL 3MOS3模型 半经验短沟道模型LEVEL 49MOS4模型 BSIM Berkeleyshort channelIGFETmodel 模型 几种常用MOSFET模型介绍 Level 1模型是对MOSFET的电流 电压关系最简单的表示 最早20世纪60年代提出 随后由Shichman Hodges加以发展 考虑衬底调制效应和沟道长度调制效应 Level 2模型取消渐变沟道近似CGA分析法中的一些简化假设 同时对基本方程进行一系列半经验性的修正 包括短 窄沟道效应的相关方程 Level 3模型 即半经验短沟道模型在精确描述各种二级效应的同时 可以节省计算时间 BSIM3V3模型 BSIM Berkeleyshort channelIGFETmodel 3V3模型是1995年10月31日由UC Berkely推出的专门为短沟道MOS场效应晶体管而开发的模型 在BSIM3模型中考虑了下列效应 1 短沟和窄沟对阈值电压的影响 6 漏感应引起位垒下降 2 横向和纵向的非均匀掺杂 7 沟道长度调制效应 3 垂直场引起的载流子迁移率下降 8 衬底电流引起的体效应 4 体效应 9 次开启导电问题 5 载流子速度饱和效应 10 漏 源寄生电阻 BSIM3V3模型 BSIM3V3包括下列166 3 0版本为174个 个参数 67个DC参数13个AC和电容参数2个NQS模型参数10个温度参数11个W和L参数4个边界参数4个工艺参数8个噪声模型参数47个二极管 耗尽层电容和电阻参数8个平滑函数参数 在3 0版本中 7 5SPICE数模混合仿真程序 SPICE在集成电路的晶体管级模拟方面 成为工业标准的模拟程序 集成电路设计工程 特别是模拟和模拟数字混合信号集成电路设计工程师必须掌握SPICE的应用 本小节我们将重点给出元器件的SPICE电路模型 相应的模型参数和仿真方法 电路仿真与SPICE 在电路完成以后 设计者面临的问题是 设计电路是否能够实现预期的功能 电路中各元器件的参数值设置是否合理 这就是所谓验证问题 对设计电路的验证 传统方法搭实验装置 随着集成度的提高 电路规模的扩大 已无法在实验装置上搭接这样的电路 即使搭接成功的话 也与实际的集成电路差别太大 失去其物理验证的意义 无法进行容差分析和极限条件的验证 对设计电路的验证 用电路模拟分析的方法在计算机上验证借助于计算机技术和计算方法的发展 不需要任何实际的元器件和调试工具 可以很方便地改变各种条件进行模拟分析 可以进行各种破坏性的模拟 设计者可以在设计投入生产制造前就能预测电路的实际性能 对设计电路的验证 最为著名和广为采用的电路模拟程序 SPICE SimulationProgramwithICEmphasis 其第一版本于1972年由美国加利福尼亚大学伯克利分校电工和计算机科学系开发完成 常称为BSPICE BSPICE是现代各种SPICE的前身 它的源代码公开 其版本不断更新 SPICE 主要针对由元件 半导体器件 电源等组成的电路作分析 可以用于电路的直流分析 如静态工作点 非线性电路 小信号传输函数等可以用于交流小信号分析 如频域分析 噪声分析等还可用来进行瞬态分析 温度特性分析等 电路模拟SPICE SPICE作为一个通用的电路模拟程序 包括输入数据 运行程序和输出数据三个基本阶段 输入数据包括电路元件及连接的拓扑信息 电路元件性质 参数 初始条件 要分析功能及输出形式等输入到程序中 输入的数据必须符合SPICE程序规定的格式 SPICE输入描述语句的构成 标题语句描述文件的第一行 SPICE将第一行作为标题行打印而不作为电路的一部分进行分析 这一行必须设置 注释语句一般形式是 后加字符串 注释语句不参与电路的模拟仿真 可以存在于输入文件除第一行和最后一行之间的任何位置 SPICE输入描述语句的构成 电路的描述语句定义电路拓扑结构和元件类型及其数值 半导体器件 电路描述语句等 可以出现在文件的第二行到末行结束语句之间的任何地方 电路特性分析和控制语句可以对对电路的特性进行选择分析 如分析频率特性等 以及对输出等要求的控制语句 结束语句标志着电路描述语句的结束 格式 END 位于描述语句文件的最后一行 SPICE中元器件名称的首字母 输入描述语句的规定 名称第一个字符必须是A到Z的某一个字符 其它位字符没有限制 前8个字符有效 在描述元件时第一个字符必须是规定的元件类型字母 节点编号电路的节点编号一般采用正整数 可以不连续 也可以用字符串代替节点编号 接地点必须规定为0节点 输入描述语句的规定 元件参数值元件参数值写在与该元件相连的节点后面 其值可用整数 浮点数书写 后面可跟比例因子和单位后缀 比例因子后缀有 F 1E 15 P 1E 12 N 1E 9 U 1E 6 M 1E 3 K 1E3 MEG 1E6 G lE9 T 1E12比例因子后缀与它前面的数相乘后即得到该语句所描述的元件的参数值 输入描述语句的规定 元件参数值单位后缀有 V 伏 A 安 HZ 赫 OHM 欧 H 亨 F 法 DEG 度元件值的第一个后缀总是比例因子后缀 然后是单位后缀 如果没有比例因子后缀 那么头一个后缀就可能是单位后缀 SPICE总是忽略单位后缀 没有比例后缀和单位后缀的情况下 SPICE将电压 电流 频率 电感 电容和角度的量纲分别默认为伏 安 赫 亨 法和度 输入描述语句的规定 分隔符用以区分一行语句的不同部分 空格 逗号 等号 左括号 右括号等都可以作为分隔符 多余的分隔符是无效的 续行号一般一行最多有80个字符 第二行的开始加上 号 表示是第一行的继续 方向规定支路电路的正方向和支路电压的正方向一致 不能分析的问题电路中不能包含以下部分 电压源回路 电感回路 电压源和电感组成的回路 开路的电流源和 或电容 元件描述语句 电阻电阻描述语句的语句格式为 RXXXXXXXN N VALUE 例 RADJ1824KTC 0 0060 002电容和电感语句格式 CXXXXXXXN N VALUE LXXXXXXXN N VALUE 元件描述语句 互感 耦合系数 互感是先描述两个电感 再描述这两个电感的耦合强度而得的 语法格式为 KXXXXXXXLYYYYYYYLZZZZZZZ VALUE无损耗传输线语法格式为 TXXXXXXXN1N2N3N4Z0 VALUE 元件描述语句 电压控制开关语法格式为 SXXXXXXXN N NC NC 半导体元器件描述语句 二极管语句格式为 DXXXXXXXN N MNAME 例 DBRIDGE210DIODE1双极型晶体管语句格式为 QXXXXXXXNCNBNEMNAME 例 Q23102413QMOD1IC 0 6 5 0 半导体元器件描述语句 MOS场效应晶体管语句格式为 MXXXXXXXNDNGNSNBMNAME 结型场效应晶体管语句格式为 JXXXXXXXNDNGNSMNAME 半导体元器件描述语句 半导体电阻器语句格式为 RXXXXXXXN1N2 例 RLOAD21010K半导体电容器语句格式为 CXXXXXXXN1N2 例 CLOAD21010P 电源描述语句 V 独立电压源I 独立电流源H 电流控制电压源F 电流控制电流源G 电压控制电流源E 电压控制电压源 独立电压源和独立电流源 直流源VXXXXXXXN N VALUEIXXXXXXXN N VALUE交流源VXXXXXXXN N ACIXXXXXXXN N AC瞬态脉冲源VXXXXXXXN N PULSEIXXXXXXXN N PULSE 脉冲源参数 各参数和波形图之间的关系 独立电压源和独立电流源 瞬态正弦源VXXXXXXXN N SIN V0VAFTDALPHAPHASE IXXXXXXXN N SIN I0IAFTDALPHAPHASE 正弦源的值由下面式子决定 V T VO VA SIN 2 FREQ T TD PHASE 360 EXP T TD ALPHA I T I0 IA SIN 2 FREQ T TD PHASE 360 EXP T TD ALPHA 独立电压源和独立电流源 瞬态指数源VXXXXXXXN N EXP V1V2TD1TAU1TD2TAU2 IXXXXXXXN N EXP I1I2TD1TAU1TD2TAU2 分段线性源VXXXXXXXN N PWL T1V1 IXXXXXXXN N PWL T1I1 瞬态单调调频源VXXXXXXXN N SEFM V0VAFCMDIFS IXXXXXXXN N SEFM I0IAFCMDIFS 分段线性源 线性受控源 电压控制电压源EXXXXXXXN N NC NC VALUE电压控制电流源GXXXXXXXN N NC NC VALUE电流控制电压源HXXXXXXXN N VNAMEVALUE电流控制电流源FXXXXXXXN N VNAMEVALUE 模型 子电路和文件包含语句 模型描述语句 MODELModelNameTypeName PName1 Pvalue1 PName2 Pvalue2 子电路描述语句 SUBCKTSubNameNodeNames ENDSSubName文件包含语句 INCLUDEFileName 电路特性分析和控制语句 电路特性的分析语句包括指定分析类型 如直流 交流 瞬态 噪声 温度 失真分析等 控制语句包括初始状态设置 参数分析 输出格式和任选项语句 所有的分析和控制语句都必须以 开头 各语句的次序无关且可多次设置 但程序对同一类语句只执行最后一次 电路特性分析语句 直流工作点分析计算电路的直流工作点 格式 OP直流扫描分析定义对电路进行直流扫描的扫描源及扫描限制 格式 DCSRCNAMVSTARTVSTOPVINCR小信号传输函数计算电路的直流小信号传输函数值 输入阻抗和输出阻抗 格式 TFOUTVARINSRC 电路特性分析语句 直流或小信号交流灵敏度分析在电路的偏置点附近将电路线性化后 计算在电感短路电容开路的情况下所观测变量OUTVAR 节点电压或电压源支路的电流 对电路中所有非零器件参数的灵敏度交流特性分析计算电流在给定的频率范围内的频率响应 格式 ACDECNDFSTARTFSTOP ACOCTNOFSTARTFSTOP ACLINNPFSTARTFSTOP 电路特性分析语句 噪声分析