第3章、集成电路器件模型

1、 集成电路设计集成电路设计2第三章第三章 集成电路器件模型集成电路器件模型41235二极管模型二极管模型双极型晶体管模型双极型晶体管模型MOS晶体管模型晶体管模型JFET模型、模型、 MESFET模模型型无源器件模型无源器件模型6噪声模型噪声模型3器件模型器件模型电路中的有源器件用模型描述该器件的特性。电路中的有源器件用模型描述该器件的特性。器件模型是根据器件的端电压和端电流的关系器件模型是根据器件的端电压和端电流的关系，利用数学方程、等效电路以及工艺数据拟合，利用数学方程、等效电路以及工艺数据拟合等方法来描述器件的功能和性能，是集成电路等方法来描述器件的功能和性能，是集成电路设计中对器件功能

2、和性能进行模拟验证的重要设计中对器件功能和性能进行模拟验证的重要依据。依据。电路模拟结果是否符合实际情况，主要取决于电路模拟结果是否符合实际情况，主要取决于器件模型是否正确，特别是采用的模型参数是器件模型是否正确，特别是采用的模型参数是否真正代表实际器件的特性。否真正代表实际器件的特性。不同的电路模拟软件中采用的模型不完全相同不同的电路模拟软件中采用的模型不完全相同，模型参数的名称和个数也不尽相同。，模型参数的名称和个数也不尽相同。4器件模型越精确，电路模拟效果越好，但是计器件模型越精确，电路模拟效果越好，但是计算量也越大，因此应折衷考虑。对同一种器件算量也越大，因此应折衷考虑。对同一种器件，

3、往往提出几种模型。，往往提出几种模型。学习中应该掌握模型参数的含义，特别应注意学习中应该掌握模型参数的含义，特别应注意每个模型参数的作用特点，即在不同的电路特每个模型参数的作用特点，即在不同的电路特性分析中必需考虑哪些模型参数。性分析中必需考虑哪些模型参数。每个模型参每个模型参数均有内定值。除了描述基本直流模型的几个数均有内定值。除了描述基本直流模型的几个参数外，其他模型参数如果采用内定值，相当参数外，其他模型参数如果采用内定值，相当于不考虑相应的效应。于不考虑相应的效应。如果采用模拟软件附带的模型参数库，当然不如果采用模拟软件附带的模型参数库，当然不存在任何问题。如果采用模型参数库中未包括存

4、在任何问题。如果采用模型参数库中未包括的器件，如何比较精确地确定该器件的模型参的器件，如何比较精确地确定该器件的模型参数将是影响电路模拟结果的关键问题。数将是影响电路模拟结果的关键问题。5一、二极管模型一、二极管模型集成电路和半导体器件的各类特性都是集成电路和半导体器件的各类特性都是PN结相互作用的结果，它是微电子器件结相互作用的结果，它是微电子器件的基础。的基础。通过某种方法使半导体中一部分区域为通过某种方法使半导体中一部分区域为P型，另一部分区域为型，另一部分区域为N型，则在其交界面型，则在其交界面就形成了就形成了PN结。结。以以PN结构成的二极管最基本的电学行为结构成的二极管最基本的电学

5、行为是具有单向导电性。是具有单向导电性。6Cj和和Cd分别代表分别代表PN结的势垒电容和扩散电容。结的势垒电容和扩散电容。RS代表从代表从外电极到结的路径上通常是半导体材料的电阻，称之为体外电极到结的路径上通常是半导体材料的电阻，称之为体电阻。电阻。 SDDRIVV1DSDtVnVIIeqkTVtm0Dj0j1VVCCtDDVnIdVdIdVdQCDDDDd二极管等效电路模型二极管等效电路模型 7二极管模型参数二极管模型参数参数名参数名符号符号Spice名名单位单位缺省值缺省值饱和电流饱和电流ISISA1.010-14发射系数发射系数nN-1串联体电阻串联体电阻RSRS 0渡越时间渡越时间 D

6、TTs0零偏势垒电容零偏势垒电容Cj0CJ0F0梯度因子梯度因子mM-0.5PN结内建势垒结内建势垒V0VJV18二、双极晶体管模型二、双极晶体管模型 SPICE中的双极型晶体管常用两种物理中的双极型晶体管常用两种物理模型，两种模型参数能较好地反映物理模型，两种模型参数能较好地反映物理本质且易于测量。本质且易于测量。EM （Ebers-Moll）模型：）模型：1954年由年由J.J.Ebers和和J.L.Moll提出。提出。GP （ Gummel-Poon）模型：）模型： 1970年由年由HKGummel和和HCPoon提出。提出。9双极型晶体管双极型晶体管EM模型模型10EM模型模型 将电流

7、增益作为频率的函数来将电流增益作为频率的函数来处理，对计算晶体管存贮效应处理，对计算晶体管存贮效应和瞬态特性不方便。和瞬态特性不方便。改进的改进的EM模型采用电荷控制模型采用电荷控制观点，增加电容到模型中。观点，增加电容到模型中。进一步考虑到发射极、基极和进一步考虑到发射极、基极和集电极串联电阻，以及集成电集电极串联电阻，以及集成电路中集电结对衬底的电容，于路中集电结对衬底的电容，于是得到是得到EM2模型。模型。NPNEM直流模型直流模型11EM2模型模型 (1)(1)BCBEttVVVVSCSRIIIee(1)(1)BCBEttVVVVSESFIIeIe 0BCECEBEBCIIIVVVEM

8、大信号模型大信号模型12EM小信号等效电路小信号等效电路 CQCmFQBEtIdIgdVV0mFrg1CEoCmFVrIg1tAFAFkTVVqVEQEmRBCtIdIgdVV00CEBVrrI基区宽度调制效基区宽度调制效应参数欧拉电压应参数欧拉电压13双极型体管双极型体管GP模型模型14与与EM模型相比，模型相比，GP模型增加以下几个物理效应：模型增加以下几个物理效应： 小电流时小电流时值下降值下降大注入效应，改善了高电平下的伏安特性大注入效应，改善了高电平下的伏安特性基区宽度调制效应：改善了输出电导、电流增益和特征基区宽度调制效应：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

9、数频率，反映了共射极电流放大倍数随电流和电压的变随电流和电压的变化化发射系数的影响发射系数的影响基极电阻随电流变化基极电阻随电流变化正向渡越时间正向渡越时间F随集电极电流随集电极电流IC的变化，解决了在大注的变化，解决了在大注入条件下由于基区展宽效应使特征频率入条件下由于基区展宽效应使特征频率fT和和IC成反比的成反比的特性。特性。模型参数和温度的关系。模型参数和温度的关系。1.根据横向和纵向双极晶体管的不同，外延层电荷存储引根据横向和纵向双极晶体管的不同，外延层电荷存储引起的准饱和效应。起的准饱和效应。双极型晶体管双极型晶体管GP模型模型15GP直流模型直流模型 16GP大信号模型大信号模型

10、GP大信号模型与大信号模型与EM大信号模型类似，大信号模型类似，引入修正内容：引入修正内容：集电结电容分布特性：划分为两个电容集电结电容分布特性：划分为两个电容渡越时间随偏置的变化：大电流时渡越时间随偏置的变化：大电流时F不再是不再是常数常数基区中的分布现象基区中的分布现象17GP小信号模小信号模型与型与EM小信小信号模型十分一号模型十分一致，只是参数致，只是参数的值不同。的值不同。GP小信号模型小信号模型18双极型晶体管双极型晶体管SPICE模型参数模型参数参数名参数名公式中符号公式中符号SPICE中符号中符号单位单位SPICE默认值默认值饱和电流饱和电流ISISA1016理想最大正向电流增

11、益理想最大正向电流增益FBF100理想最大反向电流增益理想最大反向电流增益RBR1正向厄利（欧拉）电压正向厄利（欧拉）电压VAFVAFV反向厄利（欧拉）电压反向厄利（欧拉）电压VARVARV基极基极-发射极结梯度因子发射极结梯度因子mEMJE0.33基极基极-集电极结梯度因子集电极结梯度因子mCMJC0.33衬底结指数因子衬底结指数因子msMJS0.0基极基极-发射极内建电势发射极内建电势VE0VJEV0.75基极基极-集电极内建电势集电极内建电势V C0VJCV0.75衬底结内建电势衬底结内建电势V S0VJSV0.7519三、三、MOSFET模型模型常用的几种常用的几种MOSFET模型模型

12、Level=1Shichman-Hodges Level=2基于几何图形的分析模型基于几何图形的分析模型 Grove-Frohman Model (SPICE 2G)Level=3半经验短沟道模型半经验短沟道模型 (SPICE 2G)Level=49 BSIM3V3BSIM, 3rd, Version 3Level=50 Philips MOS920MOSFET一级模型一级模型又称又称MOS1模型，这是最简单的模型，适模型，这是最简单的模型，适用于手工计算。当用于手工计算。当MOS器件的栅长和栅器件的栅长和栅宽大于宽大于10m、衬底掺杂低，而我们又需、衬底掺杂低，而我们又需要一个简单的模型时，

13、那么由要一个简单的模型时，那么由Shichman和和Hodges提出的提出的MOS1模型是适合的。模型是适合的。21MOSFET一级模型一级模型(Level=1)MOS1模型包括了模型包括了漏区和源区的串联漏区和源区的串联电阻电阻rD和和rS，两个，两个衬底衬底PN结和结电容结和结电容CBS、CBD，反映电，反映电荷存储效应的三个荷存储效应的三个非线性电容非线性电容CGB、CGS和和CGD以及受控以及受控电流源电流源IDS。 22MOSFET一级模型一级模型(Level=1)描述描述I和和V的平方率特性的平方率特性, 它考虑了衬底它考虑了衬底调制效应和沟道长度调制效应调制效应和沟道长度调制效应

14、:dsdsdsthgsdsVVVVVI1212dsthgsdsVVVI122DLLWKPLWKP0KP= Cox本征跨导参数本征跨导参数Cox = ox/Tox单位面积的栅氧化层电容单位面积的栅氧化层电容LO有效沟道长度有效沟道长度, L版图栅长版图栅长, LD沟道横向扩散长度沟道横向扩散长度非饱和区非饱和区饱和区饱和区MOSFET电流方程模型电流方程模型23MOSFET一级模型一级模型(Level=1)（续）（续）MOSFET的阈值电压的阈值电压Vth本质上由栅级上本质上由栅级上的电荷的电荷, 绝缘层中的电荷和沟道区电荷之绝缘层中的电荷和沟道区电荷之间的平衡决定间的平衡决定FbsFTOthV

15、VV22FFFBTOVV22subosioxNqC21VTO： Vbs=0时的阈值电压时的阈值电压Vbs：衬底到源区的偏压：衬底到源区的偏压 ：体效应阈值系数，反映了体效应阈值系数，反映了Vth随衬随衬-源偏置源偏置 Vbs的变化。的变化。24isubtFnNlnVVFB = MS QSS/COX NSUB为衬底为衬底(阱阱)掺杂浓度掺杂浓度, 它也决定了体内费米势它也决定了体内费米势 F当半导体表面的费米势等于当半导体表面的费米势等于 F时，半导体表面处于强反型时，半导体表面处于强反型, 此时表面势此时表面势 PHI=2 Fn型反型层型反型层 PHI0, p型反型层型反型层 PHI0 VFB

16、称之为平带电压称之为平带电压, 它是使半导体表面能带和体内能带拉它是使半导体表面能带和体内能带拉平而需在平而需在 栅级上所加的电压栅级上所加的电压. MS为栅金属与半导体硅的功函数之差除以电子电荷为栅金属与半导体硅的功函数之差除以电子电荷. 其数值其数值与硅的掺杂类型与硅的掺杂类型, 浓度以及栅金属材料有关浓度以及栅金属材料有关.25MOSFET一级模型一级模型(Level=1)(续续) 栅材料类型由模型参数栅材料类型由模型参数TPG决定决定. 栅氧化层与硅半导体的表面电荷密度栅氧化层与硅半导体的表面电荷密度QSS=qNSSNSS为表面态密度为表面态密度, 其模型参数为其模型参数为NSS.N沟

17、道硅栅增强型沟道硅栅增强型MOSFET: VFB -1.2V, PHI 0.6VN沟道硅栅耗尽型沟道硅栅耗尽型MOSFET: VFB -0.6 0.8V 模型参数模型参数LAMBDA( )为沟道长度调制系数为沟道长度调制系数. 其物理意其物理意义为义为MOSFET进入饱和区后单位漏进入饱和区后单位漏-源电压引起的沟道源电压引起的沟道长度的相对变化率长度的相对变化率.26MOSFET一级模型直流特性涉及的模型参数一级模型直流特性涉及的模型参数参数符号参数符号SPICE名名说明说明VTOVTO衬底零偏置时源阈值电压衬底零偏置时源阈值电压KPKP本征跨导参数本征跨导参数GAMMA体效应阈值系数体效应

18、阈值系数2FPHI强反型时的表面势垒高度强反型时的表面势垒高度LAMBDA沟道长度调制系数沟道长度调制系数o/nUO表面迁移率表面迁移率L沟道长度沟道长度LDLD沟道长度方向上横向扩散长度沟道长度方向上横向扩散长度W沟道宽度沟道宽度 TOXTOX栅氧化层厚度栅氧化层厚度TPG栅材料类型栅材料类型NSUBNSUB衬底衬底(阱阱)掺杂浓度掺杂浓度NSSNSS表面态密度表面态密度27VTO, KP, GAMMA, PHI, LAMBDA是是 器件参数器件参数.TOX, TPG, NSUB, NSS是工艺参数是工艺参数.若用户仅给出了工艺参数若用户仅给出了工艺参数, SPICE会计算出相应的器件参数会

19、计算出相应的器件参数.IS:衬底结饱和电流衬底结饱和电流(省缺值为省缺值为0)JS衬底结饱和电流密度衬底结饱和电流密度N:衬底衬底PN结发射系数结发射系数AS:源区面积源区面积PS:源区周长源区周长AD:漏区面积漏区面积PD:漏区周长漏区周长JSSW:衬底衬底PN结侧壁单位长度的电流结侧壁单位长度的电流MOSFET一级模型直流特性涉及的模型参数一级模型直流特性涉及的模型参数28/1bstVNVbsssIIe/1bdtVNVbddsIIeIss= AS JS + PS JSSWIds= AD JS + PD JSSWIb=Ibs + Ibd上列上列8个参数用于计算个参数用于计算1) 衬底电流衬底

20、电流2) 衬衬-源源PN结漏电流结漏电流3) 衬衬-漏漏PN结漏电流结漏电流其中其中,MOSFET一级模型直流特性涉及的模型参数一级模型直流特性涉及的模型参数29MOSFET二级模型二级模型又称又称MOS2模型，模型，LEVEL2的的MOS2模型在模型在MOS1模型基础上考虑了一些二阶模型基础上考虑了一些二阶效应，提出了短沟道或窄沟道效应，提出了短沟道或窄沟道MOS管的管的模型，又被称为二维解析模型。模型，又被称为二维解析模型。 30MOSFET二级模型二级模型 MOS2模型考虑的二阶效应主要包括：模型考虑的二阶效应主要包括：（1）沟道长度对阈值电压的影响）沟道长度对阈值电压的影响（2）漏栅静

21、电反馈效应对阈值电压的影响）漏栅静电反馈效应对阈值电压的影响（3）沟道宽度对阈值电压的影响）沟道宽度对阈值电压的影响（4）迁移率随表面电场的变化）迁移率随表面电场的变化（5）沟道夹断引起的沟道长度调制效应）沟道夹断引起的沟道长度调制效应（6）载流子漂移速度限制而引起的电流饱）载流子漂移速度限制而引起的电流饱和效应和效应31MOSFET三级模型三级模型又称又称MOS3模型，模型，MOS3模型是一个半经模型是一个半经验模型，适用于短沟道器件。验模型，适用于短沟道器件。 精确描述各种二级效应精确描述各种二级效应, 又节省计算时间。计算公式中又节省计算时间。计算公式中考虑了考虑了漏源电源引起的表面势垒

22、降低而使阈值电漏源电源引起的表面势垒降低而使阈值电 压压下降的静电反馈效应下降的静电反馈效应.短沟道效应和窄沟道效应对阈值电压的影响短沟道效应和窄沟道效应对阈值电压的影响.载流子极限漂移速度引起的沟道电流饱和效载流子极限漂移速度引起的沟道电流饱和效应应表面电场对载流子迁移率的影响表面电场对载流子迁移率的影响.沿沟道方向沿沟道方向(Y方向方向)的阈值电压半经验公式的阈值电压半经验公式:32MOSFET三级模型三级模型半经验短沟道模型半经验短沟道模型(Level=3)(2)(22)(YVVFYVVFVVYVbsFNbsFsDSFFBt33半经验短沟道模型半经验短沟道模型(Level=3)(续续)静

23、电反馈系数静电反馈系数 ETA是模拟静电反馈效应的经验模型参数是模拟静电反馈效应的经验模型参数.载流子载流子 s随随VGS而变化而变化 THETA称之为迁移率调制系数称之为迁移率调制系数, 是模型参数是模型参数.沟道长度调制减小量沟道长度调制减小量 L的的 半经验公式为半经验公式为: k称之为饱和电场系数称之为饱和电场系数, 模型参数为模型参数为KAPPA. 与与MOS2模型相比，模型相比， MOS3模型引入三个新的模型参数为模型引入三个新的模型参数为:ETA, THETA, KAPPA。除此之外除此之外, MESFET三级模型中的阈值电压三级模型中的阈值电压, 饱饱和电压和电压, 沟道调制效

24、应和漏源电流表达式等都是半经验表达式沟道调制效应和漏源电流表达式等都是半经验表达式.2238.15 10oxETAC L11(0)sGSTTHETA VV222222pDpDDdsDsatE XE XLkXVV 34MOSFET49级模型级模型(Level=49, BSIM3V3 Berkeley short-channel IGFET model ) 1995年年10月月31日由加州柏克莱分校推出，基于物理的日由加州柏克莱分校推出，基于物理的深亚微米深亚微米MOSFET模型，可用于模拟和数字电路模拟。模型，可用于模拟和数字电路模拟。(1) 阈值电压下降阈值电压下降,(2) 非均匀掺杂效应非均

25、匀掺杂效应,(3) 垂直电场引起的迁移率下降垂直电场引起的迁移率下降,(4) 载流子极限漂移速度引起的载流子极限漂移速度引起的 沟道电流饱和效应沟道电流饱和效应(5) 沟道长度调制沟道长度调制(6) 漏源电源引起的表面势垒降低而使阈值电压下降的静电反漏源电源引起的表面势垒降低而使阈值电压下降的静电反馈效应馈效应.(7) 衬底电流引起的体效应衬底电流引起的体效应(8) 亚阈值导通效应亚阈值导通效应(9) 寄生电阻效应寄生电阻效应35MOSFET49级模型级模型(Level=49, BSIM3V3) 共有共有166(174)个参数个参数! 67个个DC 参数参数 13个个AC 和电容参数和电容参数

26、 2个个NQS模型参数模型参数 10个温度参数个温度参数 11个个W和和L参数参数 4个边界参数个边界参数 4个工艺参数个工艺参数 8个噪声模型参数个噪声模型参数 47二极管二极管, 耗尽层电容和电阻参数耗尽层电容和电阻参数 8个平滑函数参数个平滑函数参数(在在3.0版本中版本中)36飞利浦飞利浦MOSFET模型模型(Level=50)共有共有72个模型参数个模型参数.最适合于对模拟电路进行模拟最适合于对模拟电路进行模拟.37不同不同MOSFET模型应用场合模型应用场合Level 1 简单简单MOSFET模型，适用于长沟道器件模型，适用于长沟道器件Level 2 2 m 器件模拟分析器件模拟分

27、析Level 3 0.9 m 器件数字分析器件数字分析BSIM 10.8 m 器件数字分析器件数字分析BSIM 20.3 m 器件模拟与数字分析器件模拟与数字分析BSIM 30.5 m 器件模拟分析与器件模拟分析与0.1 m 器件数字分析器件数字分析Level=6 亚微米离子注入器件亚微米离子注入器件Level=50 小尺寸器件模拟电路分析小尺寸器件模拟电路分析 Level=11 SOI（绝缘层上硅）器件（绝缘层上硅）器件 对电路设计者来说对电路设计者来说, 采用什么模型参数在很大程度上还采用什么模型参数在很大程度上还取决于能从相应的工艺制造单位得到何种模型参数取决于能从相应的工艺制造单位得到

28、何种模型参数.38例例.MODEL CMOSN NMOS ( LEVEL= 49+VERSION= 3.1TNOM= 27TOX= 7.6E-9+XJ= 1E-7NCH= 2.3579E17VTH0= 0.5085347+K1= 0.5435268K2= 0.0166934K3= 2.745303E-3+K3B= 0.6056312W0= 1E-7 NLX= 2.869371E-7+DVT0W= 0 DVT1W= 0DVT2W= 0+DVT0= 1.7544494DVT1= 0.4703288DVT2=0.0394498+U0= 489.0696189UA= 5.339423E-10UB=1.548022E-18+UC= 5.795283E-11VSAT= 1.191395E5A0= 0.8842702+AGS= 0.1613116B0= 1.77474E-6B1= 5E-6+KETA= 5.806511E-3A1= 0A2= 1台积电公司某一批台积电公司某一批0.35 m CMOS工艺工艺NMOS器件的器件的Star-HSpice参数参数(命名为命名为CMOSN的的NMOS模型库模型库Spice文件文件)39+RDSW= 1.88264E3PRWG= -0.105799PRWB= -0.01520