【正文】 第三章 SPICE中的器件模型 ? 集成電路模擬程序 SPICE ? SPICE在集成電路的晶體管級模擬方面，成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的模擬程序。 ? 集成電路設(shè)計(jì)工程，特別是模擬和模擬數(shù)字混合信號集成電路設(shè)計(jì)工程師必須掌握 SPICE的應(yīng)用。 ? 下面重點(diǎn)給出無源集成元器件的 SPICE電路模型和相應(yīng)的模型參數(shù)。 ? 對器件模型的要求 ? 電路模擬與設(shè)計(jì)需要建立元器件精確模型。 ? 器件模型精度與計(jì)算量成反比，應(yīng)在滿足精度要求條件下采用盡量簡單的模型（ Compact Model）。 ? 除器件模型外，應(yīng)當(dāng)使模型各參數(shù)有明確物理意義并與器件結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)有直接的聯(lián)系。 ? 器件模型有兩種構(gòu)成方法：一是從工作原理出發(fā)，通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出，該方法得出的模型有明確的物理意義；另一種是把器件當(dāng)作“黑盒子 ”， 從器件外部特性出發(fā)，得出外部特性數(shù)學(xué)關(guān)系。 ? Spice程序所包含的元器件種類如下： (1)無源元件：它們是電阻 、 線性和非線性電容 、 線性和非線性電感 、 互感和磁芯 、 無損耗傳輸線 、 壓控開關(guān)和流控開關(guān) 。 (2)半導(dǎo)體器件：它們是半導(dǎo)體二極管 、 雙極型晶體管 、 結(jié)型場效應(yīng)晶體管 、 MOS場效應(yīng)晶體管 、 砷化鎵場效應(yīng)管和可控硅器件等 。 (3)電源：它們是獨(dú)立電壓源 、 獨(dú)立電流源 、 四種線性和非線性受控源 (VCVS， VCCS， CCCS， CCVS)。 獨(dú)立源中除了直流源外還有交流小信號源和瞬態(tài)源 。 (4)子電路：在 Spice中允許用戶將上述三類元件組成的電路定義為子電路 。 子電路大小不限 ， 可以嵌套 。 當(dāng)電路由多個這樣子電路組成時 ， 這種定義是很方便的 。 但在實(shí)際模擬時 ，程序仍然是以上述三類元件為基本單元來計(jì)算的 。 (5)宏模型： spice中的宏模型包括表格宏模型、數(shù)學(xué)函數(shù)宏模型和由 Spice， 已有的各類模型組合起來形成的構(gòu)造型宏模型。 ? 集成電路中的電阻分為 ： ? 無源電阻 通常是合金材料或采用摻雜半導(dǎo)體制作的電阻 ? 有源電阻 將晶體管進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪B接和偏置，利用晶體管的不同的工作區(qū)所表現(xiàn)出來的不同的電阻特性來做電阻。 薄層集成電阻器 ? 合金薄膜電阻 ? 多晶硅薄膜電阻 采用一些合金材料沉積在二氧化硅或其它介電材料表面，通過光刻形成電阻條。常用的合金材料有： （ 1）鉭（ Ta）； （ 2） 鎳鉻（ NiCr）； （ 3） 氧化鋅 SnO2；（ 4） 鉻硅氧 CrSiO。 摻雜多晶硅薄膜也是一個很好的電阻材料，廣泛應(yīng)用于硅基集成電路的制造。 ? 摻雜半導(dǎo)體電阻 薄層集成電阻器 不同摻雜濃度的半導(dǎo)體具有不同的電阻率，利用摻雜半導(dǎo)體的電阻特性，可以制造電路所需的電阻器。 根據(jù)摻雜方式，可分為： ? 離子注入電阻 ? 擴(kuò)散電阻 對半導(dǎo)體進(jìn)行熱擴(kuò)散摻雜而構(gòu)成的電阻 離子注入方式形成的電阻的阻值容易控制，精度較高。 薄層電阻的幾何圖形設(shè)計(jì) 金 屬擴(kuò) 散 區(qū)≈≈≈≈≈≈( a ) ( b )( c ) ( d ) ( e )常用的薄層電阻圖形 薄層電阻圖形尺寸的計(jì)算 電 流 方 向LWh方塊電阻的幾何圖形 hWLR ?? ＝ R□ WL 材料 最小值 典型值 最大值 互連金屬 頂層金屬 多晶硅 15 20 30 硅 金屬氧化物 2 3 6 擴(kuò)散層 10 25 100 硅氧化物擴(kuò)散 2 4 10 N阱（或 P阱） 1k 2k 5k ?m MOS工藝中作為導(dǎo)電層的典型的薄層電阻阻值 單位 :Ω/口 薄層電阻端頭和拐角修正 0 . 80 . 90 . 90 . 30 . 40 . 45 μ m1 5 μ m0 . 50 . 60 . 60 . 1~ 0~ 01 0 μ m2 0 μ m3 0 μ m5 0 μ m不同電阻條寬和端頭形狀的端頭修正因子 薄層電阻溫度系數(shù) 電阻溫度系數(shù) TC是指溫度每升高 1℃ 時，阻值相對變化量： dTdRRTC1? 在 SPICE程序中 ,考慮溫度系數(shù)時，電阻的計(jì)算公式修正為： ? ?? ?2t n o m n o me m p2n o me m p11 ）－（＋－＋ ttTCttTCRR ????薄層電阻射頻等效電路 芯片上的薄層電阻的射頻雙端口等效電路： 襯底電位與分布電容： pn 型 外 延 層n +pns ab bansR（ a ） （ b ）bansR2C bCs u b2C b（ c ） 有源電阻 ? 有源電阻是指采用晶體管進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪B接并使其工作在一定的狀態(tài)，利用它的直流導(dǎo)通電阻和交流電阻作為電路中的電阻元件使用。 ? 雙極型晶體管和 MOS晶體管可以擔(dān)當(dāng)有源電阻。 有源電阻 ID SVT PVVG SIODSG+I( b )DVSGIID SVT NV VG SIO( a )V+MOS有源電阻及其 IV曲線 直流電阻： 交流電阻： )(11TNoxnoxmDSGSDSDSdsGSGS VVWLtgIVIVrVVVV ????????????? ??2TNoxnox)(2VVVWLtIV?? ??Ron︱ VGS=V ＝ 有源電阻 DS( b )DS( c )DSVB( a )DSVB( d )DS( e )有源電阻的幾種形式： ID SVT NVVG SIo?oVD SRo nrd s飽和區(qū)的 NMOS有源電阻示意圖： 集成電容器 ? 在集成電路中，有多種電容結(jié)構(gòu)： ? 金屬 絕緣體 金屬 (MIM)結(jié)構(gòu) ? 多晶硅 /金屬 絕緣體 多晶硅結(jié)構(gòu) ? 金屬叉指結(jié)構(gòu) ? PN結(jié)電容 ? MOS電容 平板電容 制作在砷化鎵半絕緣襯底上的 MIM電容結(jié)構(gòu)： dlwC or??? 考慮溫度系數(shù)時，電容的計(jì)算式為： ? ? ? ?? ?2n o me m pn o me m p 211 ttTCttTCACC ox ???????平板電容 電容模型等效電路： 固有的自頻率： LCf?210 ?金屬叉指結(jié)構(gòu)電容 PN結(jié)電容 突變 PN結(jié)電容計(jì)算公式： 001?Djj VCC??? 任何 pn結(jié)都有漏電流和從結(jié)面到金屬連線的體電阻，結(jié)電容的品質(zhì)因數(shù)通常比較低。 ?結(jié)電容的參數(shù)可采用 二極管和晶體管結(jié)電容同樣的方法進(jìn)行計(jì)算。 PN結(jié)電容 ? 電容值依賴于結(jié)面積，例如二極管和晶體管的尺寸。 ? PN結(jié)電容的 SPICE模型就直接運(yùn)用相關(guān)二極管或三極管器件的模型。 MOS結(jié)構(gòu)電容 平板電容和 PN結(jié)電容都不相同， MOS核心部分，即 金屬 氧化物 半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)的電容具有獨(dú)特的性質(zhì)。 它的電容 電壓特性取決于半導(dǎo)體表面的狀態(tài)。 隨著柵極電壓的變化，表面可處于： ? 積累區(qū) ? 耗盡區(qū) ? 反型區(qū) MOS結(jié)構(gòu)電容 溝 道 溝 道耗 盡 層p 型 襯 底+ + + + + + + + +aaCoCd e pto xd1 . 00 . 2耗 盡 區(qū)積 累 區(qū)反 型 區(qū)V s sV s s（ a ）（ b ）Vg sCg bCoMOS電容 (a)物理結(jié)構(gòu) (b)電容與 Vgs的函數(shù)關(guān)系 0 V T V gsC ox C ox低頻高頻oxSioxSiCCCC?MOS結(jié)構(gòu)電容 MOS動態(tài)柵極電容與柵極電壓的函數(shù)關(guān)系 電 感 集總電感可以有下列兩種形式： 單匝線圈 多匝螺旋型線圈 多匝直角型線圈 C o x / 2C pR s L sC o x / 2R 1C 1 C 1R 1硅襯底上電感的射頻雙端口等效電路 ： ? ???? /1 tew lRs ????????? ??? 02oxox2p twNC????subGlwR ??? 2121s u bClwC ??? 傳輸線電感 ? ? 4/ 039。039。039。0 39。/ 2 t a n 2 t a n h 2 ???????? ????? lclZlZlZL 單端口電感的另一種方法是使用長度 ll/4波長的短電傳輸線 (微帶或共面波導(dǎo) )或使用長度在 l/4 ll/2范圍內(nèi)的開路傳輸線。 兩種傳輸線類型的電感值計(jì)算 如下： 互連線 ? 互連線是各種分立和集成電路的基本元件。有不少人對這一概念不甚明確。 ? 互連線的版圖設(shè)計(jì)是集成電路設(shè)計(jì)中的基本任務(wù)，在專門門陣列設(shè)計(jì)電路中甚至是唯一的任務(wù)。 互連 線 設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的事項(xiàng) 對于各種互連線設(shè)計(jì)，應(yīng)該注意以下方面： ? 為減少信號或電源引起的損耗及減少芯片面積，連線盡量短。 ? 為提高集成度，在傳輸電流非常微弱時 (如MOS柵極 )，大多數(shù)互連線應(yīng)以制造工藝提供的最小寬度來布線。 互連 線 設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的事項(xiàng) ? 在連接線傳輸大電流時，應(yīng)估計(jì)其電流容量并保留足夠裕量。 ? 制造工藝提供的多層金屬能有效地提高集成度。 ? 在微波和毫米波范圍，應(yīng)注意互連線的趨膚效應(yīng)和寄 生參數(shù)。 ? 某些情況下，可有目的地利用互連線的寄生效應(yīng)。 深亞微米階段的互連線技術(shù) ? CMOS工藝發(fā)展到深亞微米階段后，互連線的延遲已經(jīng)超過邏輯門的延遲，成為時序分析的重要組成部分。 ? 這時應(yīng)采用鏈狀 RC網(wǎng)絡(luò)、 RLC網(wǎng)絡(luò)或進(jìn)一步采用傳輸線來模擬互連線。 ? 無源元件模型 ? 電阻模型 主要考慮了溫度和噪聲性能。 TC1和 TC2分別是一次和二次溫度系數(shù)。 Tnorm由 OPTION語句確定，省卻為 27186。C。 電阻的熱噪聲功率譜密度模型為： ? 電容模型 ? ? ? ? ? ? ? ?? ?2211 n o r mn o r mn o r m TTTCTTTCTRTR ??????RkTi 42 ?電容主要考慮了溫度和壓變特性。 VC VC2分別是一次和二次電壓系數(shù)； TC1和 TC2分別是一次和二次溫度系數(shù)。 ? 電感模型 電容主要考慮了溫度和流變特性。 IL IL2分別是一次和二次電流系數(shù)； TC1和 TC2分別是一次和二次溫度系數(shù)。 ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ?22211211,n o r mn o r mn o r mTTTCTTTCVVCVVCTCVTC???????????? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ?22211211,n o r mn o r mn o r mTTTCTTTCIILIILTLITL??????????? 二極管模型 直流模型 ? 可以用于 pn結(jié)及肖特基結(jié)正向與反向特性，并可用于描述二極管擊穿 —— 穩(wěn)壓管。 ? 非平衡條件下正向偏置的 PN結(jié)如下圖所示： φj A K ID P N xP xN WP WN 0 x + ? 圖中給出耗盡型 PN結(jié)的寬度是 x P, x N， P區(qū)和 N區(qū)的自然寬度是 WP， WN。二極管的電流表達(dá)式為 式中熱電壓 kT/q= 103V， T＝ 300K， IS為反向飽和電流， n為發(fā)射系數(shù)。 其中 AJ是二極管的橫截面積， n i是本征載流子濃度， DN和DP是電子和空穴的擴(kuò)散系數(shù)。 ND＝ nN0是自由電子濃度 N區(qū)的熱平衡值， NA＝ pP0是空穴濃度 P區(qū)的熱平衡值。 LP是空穴的平均擴(kuò)散長度， LN是自由電子的擴(kuò)散長度。 )1( ?? n k