第6章 集成电路器件模型及模型参数

第6章集成电路器件模型及模型参数模块概要：一、学习目标1、了解无源器件结构及模型。2、熟悉二极管、双极型晶体管的SPICE模型及模型参数。3、了解JFET、MESFET模型及模型参数。4、熟悉MOS管的SPICE模型及模型参数。二、学习指南学习中要注意各种管子的电路模型、电路方程及各种参数、SPICE模型参数三者之间的对应关系；熟悉二极管、双极型晶体管的SPICE模型及模型参数；重点掌握MOS管的各种SPICE模型及模型参数，并能应用到实际的电路设计当中。三、知识内容无源器件结构及模型互连线、电阻、电容、电感、分布参数元件。二极管模型及模型参数二极管的端电压V与结电压VD的关系式及电路模型、二极管模型参数、器件的电子噪声、二极管的噪声模型。双极型晶体管模型及模型参数两种常用的物理模型：EM模型和GP模型。EM直流模型、改进的EM直流模型—EM2模型、EM小信号等效电路、双极型晶体管模型参数；GP模型对EM2模型的改进、GP直流模型、GP小信号模型。JFET和MESFET模型及模型参数JFET模型及模型参数、MESFET模型及模型参数MOSFET模型及模型参数MOSFET模型发展、几种常用MOSFET模型及其介绍。一级模型(Level=1)及其直流特性模型参数、二级模型(Level=2)、三级模型(Level=3)、四级模型(Level=4，BSIM3V3)、飞利浦MOSFET模型(Level=50)、不同MOSFET模型应用场合。四、练习1．互连线设计中应该注意哪些的事项？答案：（1）大多数连线应该尽量短（2）最小宽度（3）保留足够的电流裕量（4）多层金属（5）趋肤效应和寄生参数（微波和毫米波）（6）寄生效应2．采用半导体材料实现电阻要注意哪些问题？答案：精度、温度系数、寄生参数、尺寸、承受功耗以及匹配等方面问题。3．MOS管的极间电容包含哪几种？答案：栅氧电容、交叠电容、耗尽层电容、结电容及其侧壁电容。4.EM2模型对EM模型做了哪些改进？答案：采用了电荷控制观点，模型中增加了电容Cbe、Cbc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。电容及电阻的引入也使交流和瞬态特性的表征更为完善。5．简述不同MOSFET模型的应用场合。答案：Level1简单MOSFET模型Level22m器件模拟分析Level30.9m器件数字分析BSIM10.8m器件数字分析BSIM20.3m器件模拟与数字分析BSIM30.5m器件模拟分析与0.1m器件数字分析Level=6亚微米离子注入器件Level=50小尺寸器件模拟电路分析Level=11SOI器件五、实践六、作业1．芯片电容有几种实现结构？答案：①利用二极管和三极管的结电容，MOS管的极间电容；②叉指金属结构；③金属-绝缘体-金属（MIM）结构；④多晶硅/金属-绝缘体-多晶硅结构。2．芯片电感有几种实现结构？答案：(1)集总电感集总电感可以有下列两种形式:a)匝线圈b)圆形、方形或其他螺旋形多匝线圈(2)传输线电感3．微波集成电路设计中，场效应晶体管的栅极常常通过一段传输线接偏置电压。试解释其作用。答案：阻抗匹配4．试举出几种常用的MOSFET模型。答案：HSpice中常用的几种MOSFET模型有：Level=1Shichman-HodgesLevel=2基于几何图形的分析模型。Grove-FrohmanModel(SPICE2G)。Level=3半经验短沟道模型(SPICE2G)Level=4BSIM1-4，专门为短沟道开发的模型。Level=50PhilipsMOS9七、案例八、测验（以下删除，已插入各知识点中）1.半导体噪声包括哪些？答案：散弹噪声、分配噪声、闪烁噪声（1/f噪声）、场效应管噪声2.双极型晶体管有哪两种常用的物理模型？答案：EM模型和GP模型八、常见问题学生对电路模型、电路方程及各种参数不太理解，甚至概念模糊，应加强相关专业基础知识的学习；对有些SPICE模型参数的含义不了解，教师应着重讲解。九、知识结构十一、参考资料目录1.高燕梅，房蔓楠编著.Spice/Pspice编程技术.北京：电子工业出版社，2002.6.2.高文焕，汪蕙编著.模拟电路的计算机分析与设计——Pspice程序应用.北京：清华大学集成电路器件及SPICE模型无源器件结构及模型二极管模型及模型参数双极型晶体管模型及模型参数JFET和MESFET模型及模型参数MOSFET模型及模型参数出版社，2005.1.3.[美]PaulR.Gray等著，张晓林译.模拟集成电路分析与设计（第4版）.北京：高等教育出版社，2005.6.4.synopsys.HSPICE®ElementsandDeviceModelsManual.VersionX-2005.09,September2005.知识点1：一、内容集成电路中的元器件分为两大类：无源器件、有源器件无源元件：电阻、电容、电感、互连线、传输线等。有源元件：二极管、三极管、MOS管等各类晶体管。这里介绍的无源器件器件包括：互连线、电阻、电容、电感、分布参数元件。1、互连线互连线是各种分立和集成电路的基本元件。在集成电路的衬底上，互连线大多数是由金属薄层形成的条带，不同衬底上的电路的互连线可能用到金属裸线或电缆。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。互连线设计中应该注意的事项：（1）大多数连线应该尽量短（2）最小宽度（3）保留足够的电流裕量（4）多层金属（5）趋肤效应和寄生参数（微波和毫米波）（6）寄生效应2、电阻集成电路中的电阻分为：无源电阻、有源电阻无源电阻：通常是合金材料、互连线或采用半导体材料与技术制作的电阻。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的电阻。无源电阻的制作：（1）合金材料制作合金薄膜电阻：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：钽（Ta）、镍铬（Ni-Cr）、氧化锌SnO2、铬硅氧CrSiO。（2）互连线制作可用互连线的传导电阻实现低阻值的电阻。（3）半导体材料与技术制作片式电阻：即晶体管结构中不同材料层的片式电阻。它能实现10欧～10几K欧的电阻率，但电阻值随工艺和温度变化较大，阻值不准确。薄膜电阻：即多晶硅形成的薄膜电阻。掺杂的多晶硅薄膜也是一种很好的电阻材料，广泛应用于硅基集成电路的制造。阻值范围为20～2000欧。掺杂电阻：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，可以制造出电路所需的电阻器。根据掺杂方式，可分为：扩散电阻：对半导体进行热扩散掺杂而构成的电阻。离子注入电阻：对半导体以离子注入方式形成的电阻，其阻值容易控制，精度较高。有源电阻1、MOS有源电阻：(新加此图！)（1）当Ｇ极和Ｄ极短接时，VGS可变：管子工作在饱和区，忽略沟道调制效应其中：直流电阻Ron交流电阻rds（2）当Ｇ极接固定偏置VB时，VGS保持不变：管子工作在饱和区，若忽略沟道调制效应，交流电阻为无穷大；若不忽略沟道调制效应，交流电阻为一个有限值，但远大于在工作点Oˊ上的直流电阻。当漏源电压变化时，只要器件仍工作在饱和区，其交流电阻几乎不变，而直流电阻将随着漏源电压变大而变大。直流电阻Ron交流电阻rds有源电阻的几种形式2thGSNGSDGSDDSon)(VVKVIVIVR)(211thGSNmDSGSDSDSdsVVKgIVIVr)(21oxnNLWCKIDSVTNVVGSIooVDSRonrdsDS(b)DS(c)DSVB(a)DSVB(d)DS(e)(a)(d)(c)：直流电阻Ron交流电阻rds(b)(e)：直流电阻Ron交流电阻rds3、电容在集成电路中，有多种电容结构：叉指金属结构金属-绝缘体-金属(MIM)结构多晶硅/金属-绝缘体-多晶硅结构（结构类似上者）二极管和三极管的结电容MOS电容4、电感在集成电路开始出现后的很长一段时间内，人们一直认为电感是不能集成在芯片上的，因为那时集成电路工作的最高频率在MHZ数量级，芯片上金属线的电感效应非常小。但现在情况不同了，集成电路的速度越来越高，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的金属结构，使电感获得有用的品质因素。（1）集总电感(a)单匝线圈(b)圆形、方型或其它螺旋形多匝线圈电感等效电路：（2）传输线电感获得单端口电感的方法：使用长度ll/4λ波长的短电传输线(微带或共面波导)或使用长度在l/4λll/2λ范围内的开路传输线。双端口电感：用高阻抗金属线可实现L值很小的双端口电感。键合线电感：可以利用它们提高高频或高速电路的性能。5、分布参数元件集总元件和分布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，一些诸如互连线的IC元件的尺寸变大，以致它们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。分布元件主要包括：微带线型(Micro-strip)、共面波导型（CPW）的传输线。微带线：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。共面波导（CPW）的特点：（1）CPW的优点：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CPW之间有更好的屏蔽，因此有更高集成度和更小芯片尺寸。比金属孔有更低的接地电感。低的阻抗和速度色散。（2）CPW的缺点：衰减相对高一些，在50GHz时，CPW的衰减是0.5dB/mm;由于厚的介质层，导热能力差，不利于大功率放大器的实现。传输线元件由一条或多条传输线组成的元件包括：开路/短路截线、弯头和节点等。开路/短路截线——实现电感交流短路截线——为二极管、三极管加偏置电压弯头和节点——实现阻抗匹配、功率分配和合成等二、教学录像三、学习指导了解互连线、电阻、电容、电感的实现；重点掌握MOS电容的各种组成，有源电阻的结构、公式及其实现方法。四、练习1．画出有源电阻的几种形式，并比较其直流电阻和交流电阻的大小。答案：(a)(d)(c)：直流电阻Ron交流电阻rds(b)(e)：直流电阻Ron交流电阻rds2．写出右图MOS管的直流电阻和交流电阻的表达式。答案：管子工作在饱和区，忽略沟道调制效应有：DS(b)DS(c)DSVB(a)DSVB(d)DS(e)2thGSNGSDGSDDSon)(VVKVIVIVR)(211thGSNmDSGSDSDSdsVVKgIVIVr其中：3．画出MOS管的极间电容示意图，并指出其类型。答案：见图（1）栅氧电容—C2（2）交叠电容—C1、C4（3）耗尽层电容—C3（4）结电容—C5、C6，及其侧壁电容Cjsw4．画出电感的等效电路。答案：见图5．微带线传播TEM波的条件是什么？答案：五、测验1．试列举并分析几种半导体材料与技术制作的电阻。答案：（1）片式电阻：即晶体管结构中不同材料层的片式电阻。它能实现10欧～10几K欧的电阻率，但电阻值随工艺和温度变化较大，阻值不准确。（2）薄膜电阻：即多晶硅形成的薄膜电阻。掺杂的多晶硅薄膜也是一种很好的电阻材料，广泛应用于硅基集成电路的制造。阻值范围为20～2000欧。（3）掺杂电阻：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，可以制造出电路所需的电阻器。根据掺杂方式，可分为：扩散电阻，对半导体进行热扩散掺)(21oxnNLWCK杂而构成的电阻。离子注入电阻，对半导体以离子注入方式形成的电阻，其阻值容易控制，精度较高。2．在芯片上设计微带线时，如何考虑信号完整