集成电路新设计基础

集成电路设计基础集成电路设计基础 山东大学 信息学院 刘志军 *集成电路设计基础2 上次课内容上次课内容 第6章 集成无源器件及SPICE模型 §6.1 引言 § 6.2 薄层集成电阻器 § 6.3 有源电阻 § 6.4 集成电容器 § 6.5 电感 § 6.6 互连线 § 6.7 传输线 *集成电路设计基础3 第第7 7章章 晶体管的晶体管的SPICESPICE模型模型 § 7.1 引言 § 7.2 二极管及其SPICE模型 § 7.3 双极型晶体管及其SPICE模型 § 7.4 MOS场效应管及其SPICE模型 § 7.5 短沟道MOS场效应管BSIM3模型 § 7.6 模型参数提取技术 *集成电路设计基础4 § 7.1 § 7.1 引言引言 £上一章主要介绍无源元件R、L、C的模 型。 £集成电路主要是由晶体管组成的，本章 主要介绍晶体管等效电路模型。 *集成电路设计基础5 半导体器件模型半导体器件模型 £半导体器件模型有： ¤器件的物理模型 ¤器件的等效电路模型 *集成电路设计基础6 半导体器件物理模型半导体器件物理模型 £半导体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 。 *集成电路设计基础7 半导体器件等效电路模型半导体器件等效电路模型 ¤半导体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。 ¤半导体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。 *集成电路设计基础8 § 7.2 § 7.2 二极管及其二极管及其SPICESPICE模型模型 二极管等效电路模型 端电压V与结电压VD的关系是： 其中 高频下： 势垒电容Cj： 扩散电容Cd： *集成电路设计基础9 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。 参 数 名公式中符 号 SPICE中符号单 位 SPICE中默认值 饱和电流ISISA1.0E-14 发射系数nN-1 串联体电阻RSRS0 渡越时间TTTSec0 零偏势垒电容Cj0CJ0F0 梯度因子mM-0.5 PN结内建势垒V0VJV1 二极管模型参数对照表 *集成电路设计基础10 器件的电子噪声器件的电子噪声 £所谓电子噪声是指电子线路中某些元器 件产生随机起伏的电信号。这些信号一 般是与电子（或其它载流子）的电扰动 相联系的。 £一般包括：热噪声（白噪声）和半导体 噪声。半导体噪声包括散弹噪声、分配 噪声、闪烁噪声（1/f噪声）和场效应管 噪声。 *集成电路设计基础11 二极管的噪声模型二极管的噪声模型 n 热噪声 ： n 闪烁（1/f）噪声和散粒噪声 ： KF和AF是噪声系数 *集成电路设计基础12 § 7.3 § 7.3 双极型晶体管及其双极型晶体管及其SPICESPICE模型模型 双极型晶体管模型： （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 *集成电路设计基础13 EM电流方程 ：EM直流模型 ： 晶体管KVL和KCL方程： 这四个独立的方程描述了双极型 晶体管的特性 。 *集成电路设计基础14 虽然NPN晶体管常被设想为在两个N沟层之间夹着一个 P型区的对称型三层结构。但与MOS器件不同的是：集电 区与发射区这两个电极不能互换。 注意： *集成电路设计基础15 改进的EM模型 改进的EM模型用了电荷控制 观点，模型中增加了电容Cbe 、Cbc并 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。电容及电阻引入也使交流和瞬 态特性的表征更为完善 。 *集成电路设计基础16 EM小信号等效电路 gmF：正向区跨导 r：输入电阻 r0：输出电阻 gmR：反向区跨导 rµ：集电极-基极电阻 Cµ ：基极-集电极电容 CCS ：集电极-衬底电容 C：发-基极等效电容 *集成电路设计基础17 双极型晶体管的GP模型 v GP模型对EM2模型作了以下几方面的改进 ： （1）直流特性 反映了基区宽度调制效应，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数随电流和电压的变化 。 （2）交流特性 考虑了正向渡越时间F随集电极电流IC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fT和IC成反比的特性 。 （3）考虑了大注入效应，改善了高电平下的伏安特性 （4）考虑了模型参数和温度的关系 （5）根据横向和纵向双极晶体管的不同，考虑了外延层电荷存储引起 的准饱和效应 。 *集成电路设计基础18 GP直流模型 GP小信号模型 *集成电路设计基础19 § § 7.4 7.4 MOSMOS场效应晶体管及其场效应晶体管及其SPICESPICE模型模型 £MOS管的结构尺寸缩小到亚微米范围后，多维的物理效应和寄生 效应使得对MOS管的模型描述带来了困难。模型越复杂，模型参 数越多，其模拟的精度越高。但高精度与模拟的效率相矛盾。依 据不同需要，常将MOS模型分成不同级别。SPICE2中提供了几种 MOS场效应管模型，并用变量LEVEL来指定所用的模型。 £LEVEL1 MOS1模型 Shichman-Hodges模型 £LEVEL2 MOS2模型 二维解析模型 £LEVEL3 MOS3模型 半经验短沟道模型 £LEVEL4 MOS4模型 BSIM（Berkeley short-channel IGFET model）模型 *集成电路设计基础20 MOS1MOS1模型模型 £MOS1模型是MOS晶体管的一阶模型，描述了MOS管电 流-电压的平方率特性，它考虑了衬底调制效应和沟道长 度调制效应。适用于精度要求不高的长沟道MOS晶体管 。 *集成电路设计基础21 （1）线性区（非饱和区） MOS1MOS1模型模型器件工作特性器件工作特性 当VGSVTH，VDSVTH，VDSVGSVTH，MOS管工作在饱和区。 电流方程为： （3）两个衬底PN结 两个衬底结中的电流可用类似二极管的公式来模拟。 *集成电路设计基础23 当VBS0时 MOS1MOS1模型模型衬底衬底PNPN结电流公式结电流公式 当VBSVTH，0 VDSVTH， VDS VDSAT） 短沟道短沟道MOSMOS场效应管场效应管BSIM3BSIM3模型模型 n 强反型时的漏源电流 *集成电路设计基础48 短沟道短沟道MOSMOS场效应管场效应管BSIM3BSIM3模型模型 n 弱反型时的漏源电流 BSIM模型认为：总漏电流是强反型的漏电流与弱反型漏电流之 和。即：IDSIDS1IDS2 弱反型漏电流分量表示为： *集成电路设计基础49 § § 7.6 7.6 模型参数提取技术模型参数提取技术 电路模拟的精确度不仅与器件模型本身有关，还与 给定的器件模型参数值是否正确密切有关。所以准确地 获取模型参数是电路分析的重要工作。 n 模型参数提取方法有以下几种： （1）用仪器直接测量 （2）从工艺参数获得模型参数 （3）模型参数的计算机优化提取 *集成电路设计基础50 下次课：第下次课：第8 8章章 集成电路设计仿真程序集成电路设计仿真程序 SPICESPICE £§ 8.1 电路仿真与SPICE £§ 8.2 电路描述语句 £§ 8.3 电路特性分析和控制语句 £§ 8.4 基于SPICE核的工具软件 *集成电路设计基础51 本节课结束（本节课结束（152152） £谢谢！