第8章元件模型ppt課件

1、第4章 元件模型 對于每個模型類別，通常給出以下信息對于每個模型類別，通常給出以下信息: 用于輸入文件的用于輸入文件的.model命令。命令。.model命令用來命令用來 指定模型名稱，類型，級別以及參數(shù)值。指定模型名稱，類型，級別以及參數(shù)值。 決定模型特性的參數(shù)。這些參數(shù)以列表形式給決定模型特性的參數(shù)。這些參數(shù)以列表形式給 出，參數(shù)表有參數(shù)名稱列出，參數(shù)表有參數(shù)名稱列(用于程序用于程序)，符號列，符號列(用于用于 方程式方程式)，說明列，默認值列，以及單位列。，說明列，默認值列，以及單位列。 支撐模型大信號行為的電路。支撐模型大信號行為的電路。 構成模型的解析方程式。構成模型的解析方程式。e

2、/ptm/在模型說明中，使用以下縮寫和規(guī)則：在模型說明中，使用以下縮寫和規(guī)則： I (豎杠豎杠)在在model句法說明中，分隔替換句法說明中，分隔替換 值。在參數(shù)表中，分隔替換名稱值。在參數(shù)表中，分隔替換名稱(別名別名)。 計算計算 表示要計算的參數(shù)表示要計算的參數(shù)(不是固定的或指定的參不是固定的或指定的參 數(shù)數(shù))。 n 表示參數(shù)的表示參數(shù)的NMOS值。值。 p 表示參數(shù)的表示參數(shù)的PMOS值。值。 口口 方塊符號。方塊符號。 DIBL 漏誘導勢壘降低的縮寫。漏誘導勢壘降低的縮寫。 LDD 輕摻雜漏的縮寫。輕摻雜漏的縮寫。以下是用在參數(shù)和公式計算中的物理常數(shù)以下是用在參數(shù)和

3、公式計算中的物理常數(shù): 常數(shù)說明值單位0oxsiniqk_Tref空氣的介電常數(shù)二氧化硅的相對價電常數(shù)硅的相對介電常數(shù)本征載流子濃（300K）電子電荷Pi波爾茲曼常數(shù)0C折合絕對溫度默認標稱模型溫度8.8542110-123.911.71.4510161.602191810-193.14159261.380622610-23273.15在.options tnom命令種指定的值（默認值為27）法拉/米米-3庫倫伏特庫倫/度-1KC 二極管模型可以用于結型二極管和肖特基勢二極管模型可以用于結型二極管和肖特基勢壘二極管。壘二極管。4.1.1 句法句法 .model name d parameter

4、s name 二極管模型名稱。二極管模型名稱。 parameters 二極管模型參數(shù)名稱和賦二極管模型參數(shù)名稱和賦值。值。4.1 二極管二極管參數(shù)符號說明默認值單位is | jsrsnttcjo |cja |phamegxtifcbv |vb |var |vrbISRStCj0MEgXTiFcBV飽和電流歐姆電阻發(fā)射系數(shù)渡越時間零偏置結電容緩變系數(shù)激活能飽和電流溫度指數(shù)正向偏置耗盡層電容公式的系數(shù)反向擊穿電壓10-140.01.00.00.00.5comp3.00.5A-SF-eV-V參數(shù)符號說明默認值單位ibv | ibexpliikikrvj |phi |pb |phaIbv0擊穿電壓上的

5、電流電流極限大注入電流大注入電流結電勢10-310151.0AA/m2A/m2A/m2V4.1.2 大信號模型大信號模型圖圖 二極管大信號模型二極管大信號模型4.1.3 方程式方程式電流源電流源 is和和n決定二極管電流決定二極管電流ID的的DC特性。特性。非線性電流源非線性電流源ID等于：等于：1tDVVSDeII式中式中Vt為熱電壓，為熱電壓，VD為二極管結間的電壓。為二極管結間的電壓。Vt等于等于: Vt=KT/qbv和和ibv構成模型在反向偏置區(qū)中的邊界構成模型在反向偏置區(qū)中的邊界電荷存儲和電阻電荷存儲和電阻 二極管的電荷存儲用二極管的電荷存儲用QD來表示。來表示。 有兩種電荷存儲機構

6、。有兩種電荷存儲機構。DtDVMDjVVStDdvVCeIQ00011 上述方程的前半部代表注入的少子引起的電荷存儲，上述方程的前半部代表注入的少子引起的電荷存儲，用渡越時間用渡越時間t和指數(shù)函數(shù)來模型化。方程的后半部分和指數(shù)函數(shù)來模型化。方程的后半部分代表結耗盡區(qū)引起的電荷存儲，這部分電荷依賴于代表結耗盡區(qū)引起的電荷存儲，這部分電荷依賴于零偏結電容零偏結電容Cj0，結電勢，結電勢0以及緩變系數(shù)以及緩變系數(shù)M。 Rs表示集總二極管電阻，用與二極管的電荷和電流表示集總二極管電阻，用與二極管的電荷和電流源相串聯(lián)的外接電阻來模型化。源相串聯(lián)的外接電阻來模型化。 溫度依賴溫度依賴 飽和電流飽和電流Is

7、和結電勢和結電勢0都隨溫度的變化而變化都隨溫度的變化而變化.4.2 BJTBJT(雙極結型晶體管雙極結型晶體管)模型使用修正型的模型使用修正型的GummeI-Poon電荷控制模型。電荷控制模型。Gummel-Poon電荷控制模型電荷控制模型在原來的在原來的SPICE中得到使用。該模型在未指定某些參中得到使用。該模型在未指定某些參數(shù)時簡化成數(shù)時簡化成Ebers-Moll模型，并包括了大偏置和溫度模型，并包括了大偏置和溫度效應。效應。4.2.1 句法句法.model name npn | pnp parameters name雙極結型晶體管模型名稱。雙極結型晶體管模型名稱。Parameters雙極

8、結型晶體管模型參數(shù)名稱和賦雙極結型晶體管模型參數(shù)名稱和賦 值。值。4.2.2 模型參數(shù)及參數(shù)意義模型參數(shù)及參數(shù)意義參數(shù)參數(shù) 符符號號說明說明默認值默認值單單位位isbfnfvafikfisec2IsffVfIkfIseC2飽和電流飽和電流理想正向電流放大系數(shù)理想正向電流放大系數(shù)正向發(fā)射系數(shù)正向發(fā)射系數(shù)正向正向Early電壓電壓正向拐角電流正向拐角電流B/E結漏電飽和電流結漏電飽和電流飽和電流非理想化因子：飽和電流非理想化因子：isec2is110-161001.00.00.0A-VAA-參數(shù)參數(shù) 符號符號 說明說明默認值默認值單單位位c4nebrnrvarikriscncrbirbC4errV

9、rIkrIsccrbIrb飽和電流非理想化因子：飽和電流非理想化因子：isec4isB/E漏電發(fā)射系數(shù)漏電發(fā)射系數(shù)理想反向電流放大系數(shù)理想反向電流放大系數(shù)反向發(fā)射系數(shù)反向發(fā)射系數(shù)反向反向Early電壓電壓反向電流放大系數(shù)大電流滑坡反向電流放大系數(shù)大電流滑坡B/C漏電飽和電流漏電飽和電流B/E漏電發(fā)射系數(shù)漏電發(fā)射系數(shù)零偏基極電阻零偏基極電阻基極的電阻降至最小值一半時基極上基極的電阻降至最小值一半時基極上的電流的電流0.01.51.01.00.02.00.0-A-VAA-A參數(shù) 符號 說明默認值單位rbmrerccjevjemjetfxtfvtfrbmrercCjeVjeMjefXtfVtf在大基

10、極電流時最小基極電阻發(fā)射極串聯(lián)電阻集電極串聯(lián)電阻B/E零偏耗盡層電容B/E結電勢B/E結緩變系數(shù)理想正向渡越時間tf的偏壓依賴系數(shù)tf的VBC依賴電壓RB0.00.00.00.750.330.00.0FV-s-V參數(shù) 符號 說明默認值單位itftrcjcvjcmjcXcjccjsvjsItffCjcVjcMjcXcjcCjsVjsTf的大電流效應的參數(shù)理想反向渡越時間B/C零偏耗盡層電容B/C結電勢B/C結緩變系數(shù)接到內部基極節(jié)點的B/C耗盡層電容的比例零偏C/S電容襯底結電勢0.00.00.00.750.331.00.00.75AsFV-FV參數(shù)符號說明默認值單位mjsxtbegxtifcs

11、ubsexpliMjsXtbEgXtiFCSUBS襯底結緩變系數(shù)bf和br的溫度系數(shù)在is的溫度效應公式中的能帶間隙is的溫度冪指數(shù)正偏耗盡層電容公式中的系數(shù)橫向或垂直晶體管類型電流限制0.00.01.113.00.51(npn)-1(pnp)1*1015-eV-A/m24.2.3 大信號模型大信號模型舉例舉例舉例：有達林頓管組成的放大電路如圖舉例：有達林頓管組成的放大電路如圖4.1所示。所示。其中晶體管參數(shù)為：其中晶體管參數(shù)為：Is10-15A，F(xiàn)=100, RB=50, CJC0=1.8pF, F=1.6ns, VA=100v。計。計算該電路的輸入電阻和電壓增益。算該電路的輸入電阻和電壓增

12、益。1234voVdc=0.0phase=0.0mag=1.0R=500R=2MEGC=1uF圖圖4.1 達林頓放大器達林頓放大器該電路的輸入網(wǎng)單文件如下：該電路的輸入網(wǎng)單文件如下：Q1 Vdd 2 3 NPN Q2 Vdd 3 4 NPN C1 1 2 1uFRb Vdd 2 2MEG Re 4 Gnd 500 v1 1 Gnd 0.0 AC 1.0 0.0vdd vdd gnd 12.model NPN NPN is=1E-15 bf=100 rb=50 cjc=1.8p tf=1.6n vaf=100.ac dec 10 0.1 1G.print ac v(1)/I(v1) vm(4)其

13、中：其中：v1 1 Gnd 0.0 AC 1.0 0.0.ac dec 10 0.1 1G把輸入信號源設置成一個幅度為單位把輸入信號源設置成一個幅度為單位1，相位為零，相位為零的單位源，這樣從輸出端取出的電壓或電流的幅的單位源，這樣從輸出端取出的電壓或電流的幅度就代表了增益值，相位就是輸出與輸入之間的度就代表了增益值，相位就是輸出與輸入之間的相位差。相位差。.ac命令在命令在0.1h1G的頻率范圍內，每個數(shù)量級內的頻率范圍內，每個數(shù)量級內計算計算10個頻率點，模擬得到該電路的輸入阻抗如個頻率點，模擬得到該電路的輸入阻抗如圖圖4.2所示，幅頻特性如圖所示，幅頻特性如圖4.3所示?？梢钥闯?，所示。

14、可以看出，Ri1.4M，電壓增益，電壓增益Av0.99圖圖4.2 輸入阻抗曲線輸入阻抗曲線圖圖4.3 幅頻特性曲線幅頻特性曲線4.3 JFETJFET (結型場效應晶體管結型場效應晶體管)模型使用模型使用Schichmann和和Hodges的基本的基本FET模型。模型。DC特性用閾值電壓和增益因子來模型化，特性用閾值電壓和增益因子來模型化，電荷存儲用兩個反偏的電荷存儲用兩個反偏的PN結來模型化。結來模型化。漏和源串聯(lián)電阻都包括在內。漏和源串聯(lián)電阻都包括在內。4.3.1 句法句法.model name njf | pjf parameters其中：其中：NameJFET模型名稱。模型名稱。Par

15、ametersJFET模型參數(shù)名稱和模型參數(shù)名稱和賦值。賦值。參數(shù)符號 說明默認值單位vtobetalambdardrscgscgdPbVt0RdRsCgsCgdPB閾值電壓跨導參數(shù)溝道長度調制參數(shù)漏串聯(lián)電阻源串聯(lián)電阻零偏柵源結電容零偏柵漏結電容柵結電勢-2.0110-40.00.00.00.00.01.0VA/V21/VFFV4.3.2 參數(shù)參數(shù)參數(shù) 符號 說明默認值單位isfcExpliISFC柵結飽和電流正偏耗盡層電容系數(shù)電流限制110-140.511015A-A/V24.3.3 大信號模型大信號模型4.4 MESFET MESFET的中文名稱為金屬半導體場的中文名稱為金屬半導體場效應晶

16、體管，通常指砷化鎵晶體管。效應晶體管，通常指砷化鎵晶體管。4.4.1 句法句法 . model name nmf | pmf parameters其中：其中： nameMESFET模型的名稱。模型的名稱。 Parameters MESFET模型的參數(shù)模型的參數(shù)和參數(shù)的賦和參數(shù)的賦 值。值。4.4.2 參數(shù)參數(shù) 亞模型選擇因子亞模型選擇因子 DC參數(shù)參數(shù)電容參數(shù)電容參數(shù)噪聲參數(shù)噪聲參數(shù)幾何參數(shù)幾何參數(shù)溫度依賴參數(shù)溫度依賴參數(shù)4.4.3 大信號模型大信號模型 T-Spice的的MESFET模型有三個級別：模型有三個級別： 第一級，第一級，Curtice模型。這是基于二極管的電模型。這是基于二極管的

17、電 容模型以及簡化的容模型以及簡化的Ids計算的模型。計算的模型。 第二級，第二級，Statz模型模型(由由Statz等人在等人在1987年創(chuàng)年創(chuàng) 建的建的)。該模型是對。該模型是對Curtice模型的修正，包模型的修正，包 括改進的電容模型和更復雜的括改進的電容模型和更復雜的Ids計算。計算。 第三級，這是一個第三級，這是一個HSPICE兼容的模型。該模兼容的模型。該模 型能進行許多自定義。型能進行許多自定義。舉例：舉例：GaAs場效應晶體管反相器如圖場效應晶體管反相器如圖4.4所示，在所示，在100MHz頻率工作。計算其輸出波形。頻率工作。計算其輸出波形。32V=5.0R=10k圖圖4.4

18、 GaAs反相器反相器該電路的輸入網(wǎng)單如下：該電路的輸入網(wǎng)單如下：Z1 Vdd 2 2 NMF1 area=1Z2 2 3 Gnd NMF2 area=1RL 2 Gnd 10k v1 3 Gnd dc -2 pulse(0 -2 0 1ns 1ns 3ns 10ns)vdd vdd gnd 5.model NMF1 NMF(level=2 vto=-2.5 beta=65u vbi=0.5 alpha=1.5).model NMF2 NMF(level=2 vto=-2.5 beta=32.5u vbi=0.5 alpha=1.5).tran 10n 20n.print tran v(3)

19、v(2)輸入是邊沿為輸入是邊沿為1ns，頻率為，頻率為100MHZ的脈沖，輸入、的脈沖，輸入、輸出波形如圖輸出波形如圖4.5所示。其中黃色是輸入波形，綠色所示。其中黃色是輸入波形，綠色是輸出波形。是輸出波形。圖圖4.5 GaAs反相器輸入、輸出波形反相器輸入、輸出波形4.5 MOSFET第第1/2/3級模型級模型 MOSFET的中文名稱為金屬氧化物半導的中文名稱為金屬氧化物半導體場效應晶體管體場效應晶體管4.5.1 模型語句模型語句.model name nmos | pmos level1 | 2 | 3 parameters其中：其中：Name模型名稱模型名稱Parameters參數(shù)和參數(shù)

20、賦值參數(shù)和參數(shù)賦值4.5.2 參數(shù)參數(shù)4.5.3 大信號信號大信號信號這個電路表示第這個電路表示第2級模型。第級模型。第1級模型有相同的結構，級模型有相同的結構，但沒有結型二極管。但沒有結型二極管。端點端點G，D，S，B分別表示分別表示MOSFET的柵，漏，的柵，漏，源和襯底的連接。源和襯底的連接。Id是從漏極流向源極的電流，它是是從漏極流向源極的電流，它是Vgs，Vds，Vbs的寒士。漏和源擴散結的歐姆電的寒士。漏和源擴散結的歐姆電阻用阻用Rd和和Rs表示。表示。4.5.4 模型描述模型描述第一級模型第一級模型T-Spice包括第包括第1級模型只是為了與級模型只是為了與SPICE的兼容性，的

21、兼容性，但是第但是第1級模型在模擬電路的模擬特性時是不夠精確的。級模型在模擬電路的模擬特性時是不夠精確的。該模型的原來的意圖是用來快速模擬數(shù)字電路，它可該模型的原來的意圖是用來快速模擬數(shù)字電路，它可以使計算速度提高以使計算速度提高2個數(shù)最級。但是，個數(shù)最級。但是，T-Spice預先計算電流和電荷表，這種加速并沒有用處。預先計算電流和電荷表，這種加速并沒有用處。在大多數(shù)電路的模擬中應避免使用第在大多數(shù)電路的模擬中應避免使用第1級模型。級模型。第第2級模型級模型第第2級模型使用兩個電流方程。因為級模型使用兩個電流方程。因為MOSFET不是不是理想的開關，在晶體管達到開啟電壓前已有電流。理想的開關，

22、在晶體管達到開啟電壓前已有電流。該區(qū)域稱為弱反型區(qū)。當柵上的電壓達到閾值電該區(qū)域稱為弱反型區(qū)。當柵上的電壓達到閾值電壓，通過晶體管的電流變得更顯著。這時，溝道壓，通過晶體管的電流變得更顯著。這時，溝道處在強反型區(qū)。強反型區(qū)包括線性和飽和區(qū)。在處在強反型區(qū)。強反型區(qū)包括線性和飽和區(qū)。在第第2級模型中計算了許多控制電流大小的二級效應，級模型中計算了許多控制電流大小的二級效應，包括被柵偏置和短溝道、窄溝道效應。包括被柵偏置和短溝道、窄溝道效應。第第3級模型級模型MOSFET第第3級模型是一個半經(jīng)驗模型，用來處理小級模型是一個半經(jīng)驗模型，用來處理小尺寸元件。尺寸元件。4.6 MOSFET 第第4級模型

23、級模型BSIM1）4.6.1 句法句法.model name nmos | pmos level4 parameters式中：式中：Name模型名稱模型名稱Parameters模型參數(shù)和參數(shù)賦值。模型參數(shù)和參數(shù)賦值。4.6.2 參數(shù)參數(shù)以下是短溝道以下是短溝道IGFET模型的參數(shù)根據(jù)模型的參數(shù)根據(jù)Berkeley short-channel IGFET model 列出）。列出）。其它參數(shù)不再列出。其它參數(shù)不再列出。4.7 M0SFET第第5級模型級模型 (MaherMead) Maher-Mead MOSFET模型是一種精確模型是一種精確的，以物理學為基礎的模型。該模型在所的，以物理學為基礎

24、的模型。該模型在所有晶體管工作區(qū)，包括亞閾值區(qū)都是連續(xù)有晶體管工作區(qū)，包括亞閾值區(qū)都是連續(xù)的，而且可以在亞微米溝道長度定標。的，而且可以在亞微米溝道長度定標。4.7.1 句法句法 .modeI name nmos | pmos level=5 parameters式中：式中： name 模型名稱模型名稱 parameters模型參數(shù)和參數(shù)賦值模型參數(shù)和參數(shù)賦值4.7.2 參數(shù)參數(shù)4.7.3 特性特性 Maher-Mead模型是一種基于物理學的模型是一種基于物理學的表表MOSFET中的中的DC電流，本征端點電荷，電流，本征端點電荷，以及跨電容的電荷控制模型。以及跨電容的電荷控制模型。 該模型用溝

25、道中單位面積的可動電荷來該模型用溝道中單位面積的可動電荷來表示表示MOSFET中的電流，使用自然單位的中的電流，使用自然單位的完全集合表示速度，電壓，長度，電荷和完全集合表示速度，電壓，長度，電荷和電流。晶體管的電流方程包括漂移電流和電流。晶體管的電流方程包括漂移電流和擴散電流，所以方程組同時適用于晶體管擴散電流，所以方程組同時適用于晶體管工作的亞閾值，飽和以及工作的亞閾值，飽和以及“歐姆區(qū)，還歐姆區(qū)，還包括了速度飽和效應。包括了速度飽和效應。 該模型使用的物理參數(shù)是從用直接測量該模型使用的物理參數(shù)是從用直接測量方法得到的制造工藝參數(shù)和元件尺寸中推方法得到的制造工藝參數(shù)和元件尺寸中推導出的。直到亞微米溝道長度，該模型與導出的。直到亞微米溝道長度，該模型與測量結果符合良好。測量結果符合良好。4.8 MOSFET 第第47級模型級模型 （BSIM第第2版）版）4.8.1 句法句法.model name nmos | pmos level47 parameters式中：式中：Nam