外文翻译译文-集成电路器件与建模

集成电路器件与建模本章描述了半导体设计的操作与模型。用半导体建模的相关基础知识去完成大量的数字集成电路器件上完全有可能的；对于数字集成电路的第一课程,那些单一化的模型在第3.1节中涉及到，就是那些有一定基础的学生早先已经接触到的课程MOS晶体管;其他的部分需要被复盖当有这个需要的时候。接下来的课程，或对于想要设计高速技术发展水平的电路以及深入理解二阶分析将在整个章节中可能被学习。第3.2节描述pn节(或两极管)。本章重点要求掌握一些模型设计中的寄生电容,比如节电容。第3.3节介绍了MOS晶体管和建模。对于本节的理解还依赖于3.2节中的理论基础。3.5节中介绍了二极管及其建模。第3.11节中出现了一系列的模型设计和重要的公式。这一些摘要对那些对晶体管建模有较好基础的读者来说相当有用，可以帮助他们很好地理解本章内容。最后，本章附录中还介绍了一些小信号建模。3.1单一化的晶体管模型MOS晶体管图3.1所示即为本文中将要讲到的MOS管的符号标志。MOS晶体管实际上四端口机器件。第四个终端机是一个基体连接。对于数字集成电路，这种n沟倒晶体管的基体连接几乎总是大部分负极的集成电路电压，并且不被明确地显示。同样地，基体连接对于p沟道晶体管将会被假定是正极的集成电路电压,因此基体连接将不被显示。对于一个n沟道的晶体管，源极电势较低；漏极是另外一个节点。而P沟道晶体管的情况刚好与之相反。如果一个MOS管的栅-源电压值接近为0V，则该管不能正常工作。这意味着该管不正常或不存在。然而，N沟道晶体管的端口与地间的寄生电容将导致反向偏压减小。当估计瞬变现象延迟或当门电路状态改变时那些端结电容才会被考虑到。这些寄生电容会影响结点周边的电路。在非线性范围内，结点反向偏压增加时，结电容会随之减小。当偏压为0V的时候，一个合理的近似法是采用0.6倍的大小代替总的结电容大小。在前一章中，结点内外可以通过简单的方案规则近似估计出来，并且，在下一章中将继续讨论。事实上，P沟道晶体管中的结电容在结点与电源间，而非在结点与地之间，这对于数字电路来说是很不合理的。结点电容可能仍然是通过结点与地之间的寄生电容近似得出。当有效的栅源电压大于0V时，MOS晶体管中的通路即可形成。对于一个N沟道晶体管来说，则表明：Vef=VGS-Vtn0V当Vtn=0.7V时。对于P沟道晶体管而言，则表明：Vef=VSG+VtP0V当VtP=0.7V时。对于这种情况，大信号方程式描述了近似的NMOS管中的I-V关系如下示：ID=unWCox(VGS-Vtn)VDS-VDS2/2/L（3.1）当VDSVEFF时和ID=unWCox(VGS-Vtn)2/2L（3.2）当VDSVEFF时。在这些方程式中，是电子的迁移率，它近似地等于0.5/。是门电容2m*vsoxc每单位的面积，它是一个独立过程参数。它的数值近似等于3.5对于一个0.6fF的过程来说。W是晶体管的有效宽度，L则是晶体管的有效长度。在数字电路中，m几乎所有的晶体管都有一个最小限长度值。这就意味着除了改变一种布局，唯一的设计途径是改变晶体管的宽度。对于P沟道晶体管来说，提供以上方法之外，还要在每个可变电压前插入窄带信号。例如，当晶体管在工作范围或饱和范围时，不等式VDSVEFF变为VDSVEFF。P迁移率变为0.02。由经验可知，我们只需要记住N沟道晶体管的等式，然后转换2/*mvs到P沟道晶体管的相应等式，同时记住P沟道晶体管的电流总是从源极流向漏极（而N沟道晶体管的电流情况刚好与之相反）。当N沟道晶体管的漏极与源极电压很大时。等式3.2成立，而且晶体管的一个简单模型就是一个电流源，如图3.2a所示。以上成立是在直流情况下。当晶体管直流情况下，其模型如图3.2所示，包含了寄生结电容和一个栅源电压b能够被用到。对于一个漏源电压较大的晶体管来说，电容器的值近似等于gsc。当晶体管的漏源电压不大时，的值约等于。当漏源电压未2/3OXWLCgsCOXWLCOXV知或可变时，也常取以上近似值。这些晶体管的门电容及前面提到的结电容常常是g集成电路中的寄生电容负载的最大来源。当导线很长时，寄生电容会导致金属间的连接变得重要起来。电容和都是结点电容。这些电容关于反向偏压跨过一个结点是高度非线性sbd的。它们与结点面积大约成正比关系。通常，每单位面积的结点电容在给定的IC0JC进程中，任何一类型的当其反向偏压为0V时都是确定的。对结电容的非线性的一种普通的近似说明就是用乘以0.6，即前面所提到的状态。一种更为精确的计算结电容0JC面积及其解释在本章下一节中将会提到。这一工具已经广泛应用于CAD系统中。当N沟道中漏源电压很小时，则等式3.1可近似等效于以下两式：（3.3）()DnOXGStnDSwIVl或（3.4）SdsrI1()nOXGStnCL因此，直流情况下，晶体管的一种简单模型等效为如下图3.3所示的电阻。当瞬态影a响较大时，晶体管更为复杂的一种模型如3.3所示，它包含了振荡结电容和栅源及栅b漏电容，可以应用的电路。这些电容间的关系可近似地表示为：。12gsdOXCWL当这种等级的模型用到时，前面讨论的简单模型就不再适合，这就需要一种更为准确的模型，我们将在本章中作以介绍。当一个晶体管的漏源电压由很小逐渐增大或由很大逐渐减小时，晶体管可以近似地等价于下式：（3.5）2.5()dsnOXGStnrwCVl这一近似等式将在下一章中得以证明。这仅仅是一种粗略的近似，但是假如振荡电容可以估计得出来的话，则考虑到瞬态反应的简单分析是很有用的。记下等式3.4和3.5的相同点和相异点。用MOS管建模时，很明显要用到很多近似法。这些近似法需要被用到是因为存在着非线性运算和许多有意义的第2规则的影响，而这些运算和影响却又很难准确地预言和分析，尤其对于现代微型晶体管来说，这种近似法更常用到。由于这些原因，数字电路的发展速度很少超出10%到20%的范围。设计者们通常用保守的逻辑方法设计，并且过多地考虑了不准确的建模。双极晶体管通常用NPN双极管去实现PNP双极管电路的功能，NPN管的符号标志如图3.4所示。基极电路给定如下：（3.6）/BEBETTVVCSBSIeI当和恒定时成立。CSI/SI是晶体管电流增益，其大小常在50到100之间。这种模型要求基极-发射极电压大于0.5V，并且集电极-发射极电压大于0.3V。如果前一条件不能满足，则晶体管不能导电且不能在低频下工作。如果后一条件不能满足，则晶体管达到饱和。这些状态将导致集成电路运算操作变慢，从而增加额外的经济负担在基极-集电极一块，因此，很难出现较好的双极性逻辑电路。预言双极性逻辑电路的晶体管操作需要介绍一种更深程度的模型。然而，一种不完全的理解就从双极性逻辑电路中最大的寄生电容是基极-发射极间电容开始，这些电容值给定如下：CdbmbTIgV当/25Tkqv，室温条件下，并且b恒定，它大约与联合增益频率相反。因此，这些主要寄生电容与偏置电流成正比；当偏置电流改变时，这些电流也随之改变，改变的速率取决于逻辑电路偏置电流的大小。这些观点在偏置电流较高时近似成立；随着偏置电流的减小，结点电容就逐步取代寄生电容，并且电路工作速率也逐渐恶化。在第一规则直流分析中，常假定基极集电极电压为0.7V，并且集电极电流近似地与发射极电流相等。这两个因素有助于理解和计算工作中的电路。这种简单粗略的对MOS管和双极性晶体管的描述已经足够我们进行设计普通的IC电路了。要进行更为复杂的数字IC电路的设计，这就要求我们准确掌握本章中下一节将要介绍的深层次IC建模。另外，对于那些没有晶体管建模知识基础的读者来说，需要详细到理解本章知识，必要时还需要反复阅读书中的细节部分。本章后面的细节有用却并非最重要的。3.2半导体和PN结半导体是一种石英晶体结构状的，有着自由电子和自由孔径的物质,典型的半导体就是硅。这种物质有4个原子价，表明了每一个原子价有4个自由电子可以和周围的原子微粒共用，使形成共价的石英晶体。天然硅是一种纯的石英结构,有着相等数量的自由电子和自由孔.这些载流子即是自由电子或自由孔,它们能获得足够的能量去进行热骚动以逃脱它们的束缚.在室温下,大约每立方厘米有1.5*个载流子,即每立方米有101.5*个载流子.温度每增加C,数量大约增长一倍.1601如果硅中混进了不纯的物质(这种不纯的物质元素是5价元素),则每一个微粒有一个自由电子多余.这些自由电子用以形成导电流。一个5价的物质通常被认为是硅的捐电子,故常被称为捐电子者.典型的代表就是磷和砷.这些物质又常被称为N型掺杂物,因为它们的载流子使得它们显负价.当N型掺杂物被用到时,总的负价载流子与物质的浓度相等,并且大于硅中的自由电子数目.换句话说,(3.8)nD表示自由电子浓度,表示混合物质的浓度.另一方面,N型物质里自由空的树木将nN比硅本身孔数目少,它们的关系由下式给定:(3.9)2inDpN这里,表示硅本身的载流子浓度.相似到讲,如果硅与一带3价电子物质结合,比如硼,in则实际的载流子浓度近似到等于接受电子浓度,A(3.10)PANP型硅中带负电的载流子数量给定如下:(3.11)2ipAnN例3.1硅与硼结合,微粒浓度为个/,在室温条件下,问结合后硅元素中自由孔和26103m自由电子浓度各为多少?假如载流子/.16.5*0in3解:自由孔浓度,近似等于溶液浓度(个/).p2pAN自由电子浓度由3.11得:个/.(3.12)1626(.5*0).3*0pn3m故混合物质中硅被认为是P型,因为它的自由孔浓度大于自由电子浓度.两极真空管为了了解两极真空管，或一个PN结，或N型掺杂半导体，或紧挨着的P型掺杂半导体，如图3.6所示。这里所说的两极真空管，结，都处于域或区域之间。上标表示相对pn的溶合程度。如：层可能含有浓度为个/.的掺杂物质，而和层则p215*03mpn可能含有浓度在到个/.的掺杂物。另外这样标注使得两极真空管与金属接2510273m触时在不同区域时形成对比；否则，肖特基两极真空管就随之出现。在区域，可以获得更多的自由载流子，而在区域，却有更多带负电的载流pn子。区域的自由载流子将扩散到区域，而区域的自由电子却向运动。这一过np程与两种气体随意扩散融合很相似。这种扩散降低了两个区域的自由电子的浓度。当这两种载流子结合后，它们得到重新组合。每一个从区域向区域扩散的电子都留n下一个自由孔向转移层靠近，类似地，每一个由区域向区域扩散的孔都留下一个p运动的电子向转移层靠近。结果如图3.7所示。这种扩散将导致区域没有一个净负p电子，区域没有一个净正离子。带负电的离子和带正电的离子树木相等使得结合处n呈中性。这就导致损耗区域延伸到区域比到区域更容易。np随着这些电子的跳跃运动，有到区域的电磁场逐步形成。这些电磁场常称为结点上的固定电势。相反，自由电子扩散直到没有净电荷存在为止。开路时PN结处固定电势为：（3.13）02ln()ADTiNV当时（3.14）TkVqT为开普勒温度，K取，取，在室温下，近似等于262311.8*0JKq19.602*CTV。mv例3.2：一PN结，个/，个/，求结点电势，假设。25AN3m21DN3m16.5*0in解：用等式3.13，我们可知：（3.15）250160*.6ln.8.V（）这是一种有固定潜能的结点，它有一面大量到掺杂。近似地讲，通常我们取或。0.9V01.反偏真空管一个硅管的阳极到阴极电压为0.4V或小于0.4V时，则传导电流不能估计出来。这种情况下，我们称之为反偏。若一真空管反偏，电流是主要造成真空管中载流子的原因，并且电流很小。尽管这个反偏电压不靠电源电压提供，但反偏电压却与结点面积成正比。然而，有一个影响不容忽视，尤其在高频情况下，就是真空管的结点电容。在反偏真空管中，这些结点电容将造成损耗区储存电量的改变和作为损耗电容的模型。要求损耗电容，首先要确定损耗层的宽度和所提供的反偏电压RV（3.16）1/202()*()sRAnDkVNxq(3.17)1/20()()sRpA为自由空间的介电常数,是真空管的反偏电压,为硅的介电常数.这些等式成0RVsk立的条件是假定掺杂突然从N区域改变到P区域。从以上等式中,我们看到,若结点的一边掺杂高于另一边,则损耗区由低向高处延伸。比如，若，则3.16和3.17可以近似地表示为：ADN（3.18）1/202()sRnkVxq1/202()sRDPAkVNxq对于这种情况，（3.19）nApDN这种特殊情况称之为单边带真空管。例3.3：对于一个结点，求当反偏电压为25310oles/ANhm23DN10/elctronsm3.3V时的损耗层深度。解：因为，以及已知例3.2中：，由等式3.18可知AD0.9V（3.20）12/292*1.8540*.746nx（3.21）.7(/)npADmN注意低掺杂时N区域的损耗宽度是高掺杂时P区域的1000倍。贮存在损耗区域里的每单位横截面积等于损耗区域宽度乘以固定电荷的浓度。比如，在N区域，计算电荷数可以由等式3.16乘以即可得到DqN（3.22）1/202()ADsRQqkV电荷总数必须等于P层的，因为电荷守恒。在单边带真空管中，当时，有ADN（3.23）1/202()sRDqkN注意这一结果与高掺杂物质浓度无关。因此，从以上关系我们可以知道贮存在损耗区域的电荷与反偏电压大小有关。这种电荷与电压的典型就是非线性耗尽层电容。反偏结是集成电路中形成寄生电容的主要因素。理想情况下电压与电路贮存的电量成线性关系，如图3.8所示。然而，由等式3.23或3.22可知，Q-V之间的关系并非a是非线性，它们的曲线关系如图3.8所示。在任何一给定的反偏点，小信号电容被定b为Q-V曲线在该反偏点的切线，如图3.8所示。我们还可以近似到把3.8中曲线的割b线定义为大信号时的平均电容。对于一个反偏结来说，小信号电容在大反偏电压的条件下通常小于平均电容值。小信号电容在小反偏电压情况下值常大于平均电容值。对于反偏结处电压值的微小改变，关于一个反偏电压，我们可以找到一个小信号电容值。jC（3.24）0j是当RV时每单位面积的耗尽电容值。002sADjqkN（3.25）在一面真空管中，当时，有01/20()(/)jsADjRCdQV01/20()()jsDjRRCqkNCV（3.26）现在可知00sj（3.27）从等式3.27我们可以看到对于这些单面结，耗尽电容近似地与掺杂浓度独立，前提是在高