集成電路器件模型

集成電路器件模型第1頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月第三章集成電路器件模型41235二極管模型雙極型晶體管模型MOS晶體管模型JFET模型、MESFET模型無源器件模型6噪聲模型2第2頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月器件模型電路中的有源器件用模型描述該器件的特性。器件模型是根據(jù)器件的端電壓和端電流的關(guān)系，利用數(shù)學(xué)方程、等效電路以及工藝數(shù)據(jù)擬合等方法來描述器件的功能和性能，是集成電路設(shè)計中對器件功能和性能進行模擬驗證的重要依據(jù)。電路模擬結(jié)果是否符合實際情況，主要取決于器件模型是否正確，特別是采用的模型參數(shù)是否真正代表實際器件的特性。不同的電路模擬軟件中采用的模型不完全相同，模型參數(shù)的名稱和個數(shù)也不盡相同。3第3頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月器件模型越精確，電路模擬效果越好，但是計算量也越大，因此應(yīng)折衷考慮。對同一種器件，往往提出幾種模型。學(xué)習(xí)中應(yīng)該掌握模型參數(shù)的含義，特別應(yīng)注意每個模型參數(shù)的作用特點，即在不同的電路特性分析中必需考慮哪些模型參數(shù)。每個模型參數(shù)均有內(nèi)定值。除了描述基本直流模型的幾個參數(shù)外，其他模型參數(shù)如果采用內(nèi)定值，相當于不考慮相應(yīng)的效應(yīng)。如果采用模擬軟件附帶的模型參數(shù)庫，當然不存在任何問題。如果采用模型參數(shù)庫中未包括的器件，如何比較精確地確定該器件的模型參數(shù)將是影響電路模擬結(jié)果的關(guān)鍵問題。4第4頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月一、二極管模型集成電路和半導(dǎo)體器件的各類特性都是PN結(jié)相互作用的結(jié)果，它是微電子器件的基礎(chǔ)。通過某種方法使半導(dǎo)體中一部分區(qū)域為P型，另一部分區(qū)域為N型，則在其交界面就形成了PN結(jié)。以PN結(jié)構(gòu)成的二極管最基本的電學(xué)行為是具有單向?qū)щ娦浴?第5頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月Cj和Cd分別代表PN結(jié)的勢壘電容和擴散電容。

RS代表從外電極到結(jié)的路徑上通常是半導(dǎo)體材料的電阻，稱之為體電阻。二極管等效電路模型6第6頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月二極管模型參數(shù)參數(shù)名符號Spice名單位缺省值飽和電流ISISA1.0×10-14發(fā)射系數(shù)nN-1串聯(lián)體電阻RSRS

0渡越時間

DTTs0零偏勢壘電容Cj0CJ0F0梯度因子mM-0.5PN結(jié)內(nèi)建勢壘V0VJV17第7頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月二、雙極晶體管模型SPICE中的雙極型晶體管常用兩種物理模型，兩種模型參數(shù)能較好地反映物理本質(zhì)且易于測量。EM（Ebers-Moll）模型：1954年由J.J.Ebers和J.L.Moll提出。GP（Gummel-Poon）模型：1970年由H．K．Gummel和H．C．Poon提出。8第8頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月雙極型晶體管EM模型9第9頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月EM模型將電流增益作為頻率的函數(shù)來處理，對計算晶體管存貯效應(yīng)和瞬態(tài)特性不方便。改進的EM模型采用電荷控制觀點，增加電容到模型中。進一步考慮到發(fā)射極、基極和集電極串聯(lián)電阻，以及集成電路中集電結(jié)對襯底的電容，于是得到EM2模型。NPNEM直流模型10第10頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月EM2模型EM大信號模型11第11頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月EM小信號等效電路基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)參數(shù)歐拉電壓12第12頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月雙極型體管GP模型13第13頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月與EM模型相比，GP模型增加以下幾個物理效應(yīng)：小電流時β值下降大注入效應(yīng)，改善了高電平下的伏安特性基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)：改善了輸出電導(dǎo)、電流增益和特征頻率，反映了共射極電流放大倍數(shù)β隨電流和電壓的變化發(fā)射系數(shù)的影響基極電阻隨電流變化正向渡越時間τF隨集電極電流IC的變化，解決了在大注入條件下由于基區(qū)展寬效應(yīng)使特征頻率fT和IC成反比的特性。模型參數(shù)和溫度的關(guān)系。根據(jù)橫向和縱向雙極晶體管的不同，外延層電荷存儲引起的準飽和效應(yīng)。雙極型晶體管GP模型14第14頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月GP直流模型15第15頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月GP大信號模型GP大信號模型與EM大信號模型類似，引入修正內(nèi)容：集電結(jié)電容分布特性：劃分為兩個電容渡越時間隨偏置的變化：大電流時τF不再是常數(shù)基區(qū)中的分布現(xiàn)象16第16頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月GP小信號模型與EM小信號模型十分一致，只是參數(shù)的值不同。GP小信號模型17第17頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月雙極型晶體管SPICE模型參數(shù)參數(shù)名公式中符號SPICE中符號單位SPICE默認值飽和電流ISISA10－16理想最大正向電流增益αFBF－100理想最大反向電流增益αRBR－1正向厄利（歐拉）電壓VAFVAFV∞反向厄利（歐拉）電壓VARVARV∞基極-發(fā)射極結(jié)梯度因子mEMJE－0.33基極-集電極結(jié)梯度因子mCMJC－0.33襯底結(jié)指數(shù)因子msMJS－0.0基極-發(fā)射極內(nèi)建電勢VE0VJEV0.75基極-集電極內(nèi)建電勢VC0VJCV0.75襯底結(jié)內(nèi)建電勢VS0VJSV0.7518第18頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月三、MOSFET模型常用的幾種MOSFET模型Level=1 Shichman-HodgesLevel=2 基于幾何圖形的分析模型

Grove-FrohmanModel(SPICE2G)Level=3 半經(jīng)驗短溝道模型(SPICE2G)Level=49

BSIM3V3

BSIM,3rd,Version3Level=50

PhilipsMOS919第19頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月MOSFET一級模型又稱MOS1模型，這是最簡單的模型，適用于手工計算。當MOS器件的柵長和柵寬大于10μm、襯底摻雜低，而我們又需要一個簡單的模型時，那么由Shichman和Hodges提出的MOS1模型是適合的。20第20頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月MOSFET一級模型(Level=1)MOS1模型包括了漏區(qū)和源區(qū)的串聯(lián)電阻rD和rS，兩個襯底PN結(jié)和結(jié)電容CBS、CBD，反映電荷存儲效應(yīng)的三個非線性電容CGB、CGS和CGD以及受控電流源IDS。21第21頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月MOSFET一級模型(Level=1)描述I和V的平方率特性,它考慮了襯底調(diào)制效應(yīng)和溝道長度調(diào)制效應(yīng):KP=μ

Cox

本征跨導(dǎo)參數(shù)Cox=

ox/Tox

單位面積的柵氧化層電容LO

有效溝道長度,L

版圖柵長,LD

溝道橫向擴散長度非飽和區(qū)飽和區(qū)MOSFET電流方程模型22第22頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月MOSFET一級模型(Level=1)（續(xù)）MOSFET的閾值電壓Vth本質(zhì)上由柵級上的電荷,絕緣層中的電荷和溝道區(qū)電荷之間的平衡決定VTO：Vbs=0時的閾值電壓Vbs：襯底到源區(qū)的偏壓：體效應(yīng)閾值系數(shù)，反映了Vth隨襯-源偏置Vbs的變化。23第23頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月VFB=

MS

QSS/COXNSUB為襯底(阱)摻雜濃度,它也決定了體內(nèi)費米勢

F當半導(dǎo)體表面的費米勢等于

F時，半導(dǎo)體表面處于強反型,此時表面勢PHI=2

Fn型反型層PHI>0,p型反型層PHI<0VFB稱之為平帶電壓,它是使半導(dǎo)體表面能帶和體內(nèi)能帶拉平而需在柵級上所加的電壓.

MS為柵金屬與半導(dǎo)體硅的功函數(shù)之差除以電子電荷.其數(shù)值與硅的摻雜類型,濃度以及柵金屬材料有關(guān).24第24頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月MOSFET一級模型(Level=1)(續(xù))柵材料類型由模型參數(shù)TPG決定.柵氧化層與硅半導(dǎo)體的表面電荷密度QSS=qNSSNSS為表面態(tài)密度,其模型參數(shù)為NSS.N溝道硅柵增強型MOSFET:VFB

-1.2V,PHI

0.6VN溝道硅柵耗盡型MOSFET:VFB

-0.6

0.8V模型參數(shù)LAMBDA(

)為溝道長度調(diào)制系數(shù).其物理意義為MOSFET進入飽和區(qū)后單位漏-源電壓引起的溝道長度的相對變化率.25第25頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月MOSFET一級模型直流特性涉及的模型參數(shù)參數(shù)符號SPICE名說明VTOVTO襯底零偏置時源閾值電壓KPKP本征跨導(dǎo)參數(shù)

GAMMA體效應(yīng)閾值系數(shù)2

FPHI強反型時的表面勢壘高度

LAMBDA溝道長度調(diào)制系數(shù)μo/μnUO表面遷移率L 溝道長度LDLD溝道長度方向上橫向擴散長度W溝道寬度TOXTOX柵氧化層厚度TPG柵材料類型NSUBNSUB襯底(阱)摻雜濃度NSSNSS表面態(tài)密度26第26頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月VTO,KP,GAMMA,PHI,LAMBDA是器件參數(shù).TOX,TPG,NSUB,NSS是工藝參數(shù).若用戶僅給出了工藝參數(shù),SPICE會計算出相應(yīng)的器件參數(shù).IS: 襯底結(jié)飽和電流(省缺值為0)JS 襯底結(jié)飽和電流密度N: 襯底PN結(jié)發(fā)射系數(shù)AS: 源區(qū)面積PS: 源區(qū)周長AD: 漏區(qū)面積PD: 漏區(qū)周長JSSW: 襯底PN結(jié)側(cè)壁單位長度的電流MOSFET一級模型直流特性涉及的模型參數(shù)27第27頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月Iss=AS

JS+PS

JSSWIds=AD

JS+PD

JSSWIb=Ibs+Ibd上列8個參數(shù)用于計算1)襯底電流2)襯-源PN結(jié)漏電流3)襯-漏PN結(jié)漏電流其中,MOSFET一級模型直流特性涉及的模型參數(shù)28第28頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月MOSFET二級模型又稱MOS2模型，LEVEL＝2的MOS2模型在MOS1模型基礎(chǔ)上考慮了一些二階效應(yīng)，提出了短溝道或窄溝道MOS管的模型，又被稱為二維解析模型。29第29頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月MOSFET二級模型

MOS2模型考慮的二階效應(yīng)主要包括：（1）溝道長度對閾值電壓的影響（2）漏柵靜電反饋效應(yīng)對閾值電壓的影響（3）溝道寬度對閾值電壓的影響（4）遷移率隨表面電場的變化（5）溝道夾斷引起的溝道長度調(diào)制效應(yīng)（6）載流子漂移速度限制而引起的電流飽和效應(yīng)30第30頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月MOSFET三級模型又稱MOS3模型，MOS3模型是一個半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，適用于短溝道器件。31第31頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月精確描述各種二級效應(yīng),又節(jié)省計算時間。計算公式中考慮了漏源電源引起的表面勢壘降低而使閾值電壓下降的靜電反饋效應(yīng).短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)對閾值電壓的影響.載流子極限漂移速度引起的溝道電流飽和效應(yīng)表面電場對載流子遷移率的影響.沿溝道方向(Y方向)的閾值電壓半經(jīng)驗公式:MOSFET三級模型——

半經(jīng)驗短溝道模型(Level=3)32第32頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月半經(jīng)驗短溝道模型(Level=3)(續(xù))靜電反饋系數(shù)

ETA是模擬靜電反饋效應(yīng)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛥?shù).載流子

s隨VGS而變化THETA稱之為遷移率調(diào)制系數(shù),是模型參數(shù).溝道長度調(diào)制減小量

L的半經(jīng)驗公式為:

k稱之為飽和電場系數(shù),模型參數(shù)為KAPPA.與MOS2模型相比，MOS3模型引入三個新的模型參數(shù)為:ETA,THETA,KAPPA。除此之外,MESFET三級模型中的閾值電壓,飽和電壓,溝道調(diào)制效應(yīng)和漏源電流表達式等都是半經(jīng)驗表達式.33第33頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月MOSFET49級模型(Level=49,BSIM3V3——Berkeleyshort-channelIGFETmodel)1995年10月31日由加州柏克萊分校推出，基于物理的深亞微米MOSFET模型，可用于模擬和數(shù)字電路模擬。(1) 閾值電壓下降,(2) 非均勻摻雜效應(yīng),(3) 垂直電場引起的遷移率下降,(4) 載流子極限漂移速度引起的溝道電流飽和效應(yīng)(5) 溝道長度調(diào)制(6) 漏源電源引起的表面勢壘降低而使閾值電壓下降的靜電反饋效應(yīng).(7) 襯底電流引起的體效應(yīng)(8) 亞閾值導(dǎo)通效應(yīng)(9) 寄生電阻效應(yīng)34第34頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月MOSFET49級模型(Level=49,BSIM3V3)

共有166(174)個參數(shù)!67個DC參數(shù)13個AC和電容參數(shù)2個NQS模型參數(shù)10個溫度參數(shù)11個W和L參數(shù)4個邊界參數(shù)4個工藝參數(shù)8個噪聲模型參數(shù)47二極管,耗盡層電容和電阻參數(shù)8個平滑函數(shù)參數(shù)(在3.0版本中)35第35頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月飛利浦MOSFET模型(Level=50)共有72個模型參數(shù).最適合于對模擬電路進行模擬.36第36頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月不同MOSFET模型應(yīng)用場合Level1 簡單MOSFET模型，適用于長溝道器件Level2 2

m器件模擬分析Level3 0.9

m器件數(shù)字分析BSIM1 0.8

m器件數(shù)字分析BSIM2 0.3

m器件模擬與數(shù)字分析BSIM3 0.5

m器件模擬分析與0.1

m器件數(shù)字分析Level=6 亞微米離子注入器件Level=50 小尺寸器件模擬電路分析Level=11 SOI（絕緣層上硅）器件對電路設(shè)計者來說,采用什么模型參數(shù)在很大程度上還取決于能從相應(yīng)的工藝制造單位得到何種模型參數(shù).37第37頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月例.MODELCMOSNNMOS(LEVEL=49+VERSION=3.1 TNOM=27 TOX=7.6E-9+XJ=1E-7 NCH=2.3579E17 VTH0=0.5085347+K1=0.5435268 K2=0.0166934 K3=2.745303E-3+K3B=0.6056312 W0=1E-7NLX=2.869371E-7+DVT0W=0 DVT1W=0 DVT2W=0+DVT0=1.7544494 DVT1=0.4703288 DVT2=0.0394498+U0=489.0696189 UA=5.339423E-10 UB=1.548022E-18+UC=5.795283E-11 VSAT=1.191395E5 A0=0.8842702+AGS=0.1613116 B0=1.77474E-6 B1=5E-6+KETA=5.806511E-3 A1=0 A2=1臺積電公司某一批0.35

mCMOS工藝NMOS器件的Star-HSpice參數(shù)(命名為CMOSN的NMOS模型庫Spice文件)38第38頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月+RDSW=1.88264E3 PRWG=-0.105799 PRWB=-0.0152046+WR=1 WINT=7.381398E-8 LINT=1.030561E-8+XL=-2E-8 XW=0 DWG=-1.493222E-8+DWB=9.792339E-9 VOFF=-0.0951708 NFACTOR=1.2401249+CIT=0 CDSC=4.922742E-3