元器件模型集成电路设计及其适用范围.doc

集成电路设计模型及其适用场合为了进行电路模拟，必须先建立元器件的模型，也就是对于电路模拟程序所支持的各种元器件，在模拟程序中必须有相应的数学模型来描述他们，即能用计算机进行运算的计算公式来表达他们。一个理想的元器件模型，应该既能正确反映元器件的电学特性又适于在计算机上进行数值求解。一般来讲，器件模型的精度越高，模型本身也就越复杂，所要求的模型参数个数也越多。这样计算时所占内存量增大，计算时间增加。而集成电路往往包含数量巨大的元器件，器件模型复杂度的少许增加就会使计算时间成倍延长。反之，如果模型过于粗糙，会导致分析结果不可靠。因此所用元器件模型的复杂程度要根据实际需要而定。如果需要进行元器件的物理模型研究或进行单管设计，一般采用精度和复杂程度较高的模型，甚至采用以求解半导体器件基本方程为手段的器件模拟方法。二维准静态数值模拟是这种方法的代表，通过求解泊松方程，电流连续性方程等基本方程结合精确的边界条件和几何、工艺参数，相当准确的给出器件电学特性。而对于一般的电路分析，应尽可能采用能满足一定精度要求的简单模型（Compact model）。电路模拟的精度除了取决于器件模型外，还直接依赖于所给定的模型参数数值的精度。因此希望器件模型中的各种参数有明确的物理意义，与器件的工艺设计参数有直接的联系，或能以某种测试手段测量出来。2、构成器件模型方法目前构成器件模型的方法有两种：一种是从元器件的电学工作特性出发，把元器件看成黑盒子，测量其端口的电气特性，提取器件模型，而不涉及器件的工作原理，称为行为级模型。这种模型的代表是IBIS模型和S-参数。其优点是建模和使用简单方便，节约资源，适用范围广泛，特别是在高频、非线性、大功率的情况下行为级模型几乎是唯一的选择。缺点是精度较差，一致性不能保证，受测试技术和精度的影响。另一种是以元器件的工作原理为基础，从元器件的数学方程式出发，得到的器件模型及模型参数与器件的物理工作原理有密切的关系。SPICE 模型是这种模型中应用最广泛的一种。其优点是精度较高，特别是随着建模手段的发展和半导体工艺的进步和规范，人们已可以在多种级别上提供这种模型，满足不同的精度需要。缺点是模型复杂，计算时间长。3、元器件可以分为两大类： 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。无源器件模型： 互联线 电阻 电容 电感n 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。n 适用范围：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。n 电阻集成电路的电阻可以分为： 无源电阻通常是合金材料或采用掺杂半导体制作的电阻 n 适用范围：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。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。 n 适用范围：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。n 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 n 电容适用范围：对于高频和高速集成电路应用，电容不仅具有电容值的特性，而且还会有一个并联寄生电导G、串联电感L和电阻R。对于GaAS衬底上的叉指电容和MIM电容，随着工作频率的升高，串联电感的阻抗变的越来越高。达到某一频率，C和L变成串联谐振回路，此时电容的电容特性完全消失。n 电感 集总电感 传输线电感适用范围：同电容一样，芯片电感的最高工作频率受其自谐振f0的限制。电感的自谐振频率f0依赖于电感值L和总的寄生电容C。调谐放大器和振荡器的工作频率必须控制在百分之几的误差范围内，由于没有足够的精确公式计算集总电感的所有参数，所以为了达到设计的目标，最可靠地方法是尽可能的使用精确模型的库元件。此方法的前提是必须拥有成系列的电感库原件可用 。n 分布参数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。微带（Micro-strip）型和共面波导（CPW: Co-Plane Wave Guide）型的传输线。 微带（Micro-strip）型适用范围：有大量的理论分析结果，可直接应用公式、曲线和数据，技术已经成熟；为了最大限度的满足传输线条件，通常晶圆在完成电路元件的制造工艺以后要减薄膜到合适的厚度，通常是100um。为了将衬底上的要接地的金属结构连接到衬底背面的金属层上，必须在衬底上开孔，并在孔壁上镀金属。 共面波导（CPW: Co-Plane Wave Guide）型n 适用范围：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。但是由于厚的介质层，导热能力差，不利于大功率放大器的实现。 u 有源器件n 二极管适用范围：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。n 双极型晶体管 （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 n MOS场效应晶体管 Level1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。 Level2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。 Level3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。 LEVEL49 MOS4模型 BSIM（Be