第5章集成电路组件和SPICE模型研究Case.ppt

集成电路设计技术和工具；基本要求;内容摘要； 5.1引言；设计电路时，必须非常准确地预测电路的性能. 为此电阻spice模型，需要对电路进行尽可能准确的分析（分析）. 由于无法以实物形式构建集成电路组件，因此您必须首先构建设备模型，然后基于使用这些组件模型设计的集成电路的分析计算来执行电路仿真（仿真）. 在集成电路的晶体管级仿真中，SPICE是主要的电路仿真程序，已成为行业标准. 因此，集成电路设计工程师，尤其是模拟和数字混合信号集成电路设计工程师，必须掌握SPICE的应用. 本章首先讨论集成组件的SPICE等效电路模型和模型的主要参数. 5.2集成无源器件及其SPICE模型； 1.综合电阻；有许多制造与标准集成电路技术兼容的电阻器的方法，但是电阻和精度不同. 常见的集成电阻包括: 多晶硅电阻，掺杂的半导体电阻，N阱（或P阱）电阻和合金电阻. ; 1）多晶硅电阻；掺杂的半导体具有电阻特性，并且不同的掺杂浓度具有不同的电阻率. 根据掺杂方法: 抗扩散性和抗离子注入性. 扩散电阻是指通过半导体的热扩散掺杂形成的电阻: 工艺简单（优点）；精度差（缺点）. 离子注入电阻的结构类似于扩散电阻的结构，并且精度很高.

;;集成电阻的类型；集成电阻的几何图形设计；选择电阻形状的依据: 2）几何尺寸设计；集成电阻的电阻计算；表5.1 MOS工艺中的导电层材料0.5〜1.0？m典型的方形电阻值（单位: Ω/端口）；不同电阻条宽度和端部形状的端部校正系数；电阻温度系数集成电阻的高频双端口等效电路； （a）物理结构轮廓；主动电阻；栅极偏置的NMOS有源电阻及其电流-电压曲线; MOS有源电阻的几种连接类型；二，集成电容器；平板电容器在砷化镓半绝缘衬底上制造MIM电容结构；极板电容的计算公式: 高频电容等效模型金属叉指结构电容； PN结电容； MOS结构电容； （a）物理结构；三，综合电感；单匝线圈电感布局；线圈的多圈实物照片；传输线电感；四，分布式参数组成；微带线微带线设计；共面波导（CPWCPW阻抗）; CPW的优缺点； 5.3二极管及其SPICE模型；二极管等效电路模型；参数名称；二极管的噪声模型； 5.4双极晶体管及其SPICE模型；一，双极晶体管的EM模型；尽管NPN（或PNP）晶体管可以假定为位于两个N（或P）沟道层之间，但对称的三层结构在它们之间具有P（或N）区域.

但是，根据第4章介绍的双极晶体管的布局，NPN（或PNP）晶体管的集电极和发射极区域的形状和掺杂浓度不同，导致αR和αF之间存在巨大差异，因此，这两个电极不能互换. ; EM2模型； EM小信号等效电路；参数名称；第二，双极晶体管的GP模型； GP DC模型； GP小信号模型； 5.5 MOS场效应晶体管及其SPICE模型；一，MOS场效应晶体管模型开发；级别= 1 Shichman-Hodges级别= 2基于几何的分析模型Grove-Frohman模型（SPICE 2G）级别= 3半经验短信道模型（SPICE 2G）级别= 49 BSIM3V3？ BSIM，第3版，第3版，级别= 50 Philips MOS9； 1）LEVEL = 1级别1的MOS管模型也称为MOS1模型. 这是最简单的模型，适用于手动计算. MOS1模型是MOS晶体管的一阶模型. 它描述了MOS管电流和电压的平方速率特性. 它考虑了基片调制效应和通道长度调制效应. 适用于精度要求低的长沟道MOS晶体管. 当MOS器件的栅极长度和栅极宽度大于10μm并且衬底掺杂较低时，我们需要一个简单的模型，那么Shichman和Hodges提出的MOS1模型是合适的.

; 2）LEVEL = 2LEVEL = 2的MOS2模型在MOS1模型的基础上考虑了一些二阶效应，并提出了短通道或窄通道MOS管的模型，也称为二维分析模型. MOS2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（2）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（4）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（6）载流子漂移速度限制引起的电流饱和效应； 3）LEVEL = 3是MOS3模型. MOS3模型是适用于短通道器件的半经验模型. MOS3模型中的阈值电压，饱和电流，沟道调制效应和漏极-源极电流表达式都是半经验公式. 模型参数与MOS2模型基本相同，但引入了三个新的模型参数: 模拟静电反馈效应经验模型参数η（EAT），迁移率调制系数θ（THETA）和饱和电场系数κ（KAPPA） ）. ; 4）LEVEL = 4级4 MOS4模型也称为BSIM（伯克利短通道IGFET模型）模型. 该模型由伯克利大学于1984年开发电阻spice模型，专门用于短沟道MOS场效应晶体管. 它是AT＆T贝尔实验室的短通道IGFET模型的改进版本.

该模型基于物理基础构建. 模型参数由过程文件通过模型参数提取程序自动生成. 它适用于数字电路和模拟电路，与次级模型相比，运行时间平均缩短了大约一半. 诸如BSIM1，BSIM2，BSIM3和BSIM4的模型已经发布. ; 2. MOS1模型； 1）当前方程； 2）两个基板的PN结； 3）PN结电容； 4）栅极电容；不同工作区域的栅极电容； 5）串联电阻的影响；目前，大多数IC都使用BSIM模型来描述其处理过的设备的性能. 通常通过自动参数提取和模型生成软件来完成BSIM模型. 其中，BSIM1 SPICE模型适用于沟道长度小于1um的MOS晶体管. 对于沟道长度较短的MOS管，您需要使用BSIM2或BSIM3模型. 在建模机制方面，BSIM1和BSIM2专注于求解模型的精度并考虑公式的简化，因此引入了大量的经验参数或拟合参数以提高精度. 在实际使用中，由于过多的模型参数和冗余，使用起来很麻烦. ; BSIM3是一个基于准二维分析的物理模型，着重于讨论和解决设备操作中涉及的物理机制，并考虑设备尺寸和工艺参数的影响，试图使每个模型参数与设备特性之间建立联系. 可预测. BSIM3具有大约120个参数，每个参数都有其物理含义.

在整个工作区域，漏电流及其一阶导数是连续的，这对于解决电路仿真中的收敛性问题非常有帮助. 在Hspice或SmartSpice仿真软件中，BSIM3模型的V3.1版本对应于Level49. 模型中考虑的主要影响包括以下几个方面. ; （1）短而窄的沟槽对阈值电压的影响； （2）横向和纵向的不均匀掺杂； （3）垂直场引起的载流子迁移率下降. （4）体积效应； （5）载流电流速度饱和效应； （6）渗漏引起潜在的势垒下降； （7）信道长度调制效果； （8）基板电流引起的体积效应； （9）二次导通问题； （10）漏极/源极寄生电阻. ; MOSFET49模型（Level = 49，BSIM3V3）;飞利浦MOSFET型号（Level = 50）;不同的MOSFET型号应用；例子; *; *; 5.6模型参数提取技术； 1）物理模型半导体器件的物理模型是从半导体的基本方程出发，通过对器件的参数做出某些近似假设而获得具有解析表达式的数学模型. 一般而言，随着集成电路的集成度的增加，设备的结构和尺寸正在改变，并且设备的物理模型变得更加复杂. 物理模型中经常包含一些经验因素，目的是使模型与实验结果一致. 一般而言，模型中考虑的因素越多，与实际结果的一致性越好，但是模型越复杂，电路仿真中的计算量就越大.

; 2）等效电路模型半导体器件的等效电路模型是在特定工作条件下用一组理想组件代替器件的物理模型，并使用这些理想组件的分支方程来表示器件的物理模型. . 一般而言，同一半导体器件在不同的工作条件下将具有不同的等效电路模型. 例如，设备的DC模型，AC小信号模型，AC大信号模型和瞬态模型是不同的. 电路仿真的准确性不仅与模型本身有关，而且与给定模型参数值的正确性密切相关. 因此，准确获得模型参数-电路分析非常重要. ; 1.模型参数提取方法； 2.参数提取的基本原理；模型参数优化提取过程； 5.7本章摘要

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