【正文】 隨 VBE變化的曲線如圖所示。 ? βF(理想最大正向電流增益 )值隨 IC電流變化如下圖所示。： 集電極 基極電阻 C181。 ? 考慮電容后，模型參數(shù)增加了 12個： CJE（ 0） , CJC （ 0） , CJS （ 0） ,φE,φC,ΦS, mE,mC, mS, τF， τR 和 FC。 ? 可見 EM基本模型 直流參數(shù)有 8個： IS, βF, βR, RB, RE, RC, VA F, VA R IC VA 0 VCE ? 再考慮晶體管中電荷存儲效應(yīng)，就得到 EbersMoll 大信號模型如圖所示： ? 電荷存儲效應(yīng)引入三種類型的電容：兩個非線性結(jié)電容（ CJE, CJC）， 兩個非線性擴(kuò)散電容（ CDE, CDC） 和一個集電極 襯底電容（ CJS）。 ? Early電壓 (VA)會影響基極模型的 IC， IB電流方程。 B’ + IB VBC IEC/βR ICC/βR + VBE Ie ICT=ICCIEC RB B RC C’ IC C E RE E’ ? Early效應(yīng)（基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)） Early效應(yīng)即基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)如圖所示。 忽略基區(qū)寬度隨 VBC的變化，得 B + VBC C IR IF E VBE αFIF αRIR EM直流模型 )1()1(????kTqVCSRkTqVESFBCBEeIIeII αF和 αR分別為共基極 BJT的大信號正、反向電流增益。 BJT模型定義為基極－發(fā)射極偏置和基極－集電極偏置的方式工作。 雙極型晶體管有兩種模型： （ 1） EbersMoll（ 即 EM） 模型 —— Ebers和 Moll于 1954年提出 （ 2） GummelPoon（ 即 GP） 模型 —— Gummel和 Poon 于 1970年提出 SPICE中 GP模型有四十多個參數(shù)，某些參數(shù)未給出，則自動簡化成 EM模型。結(jié)電勢 Φ0與溫度 T關(guān)系如下： )]()([)l n (2)()( TETET TT TqkTTT TT gn o r mgn o r mn o r mn o r mn o r m???? ??TTETEgg ??? ?? 2)0()(300K時禁帶寬度 Eg(0)和 Eg(T)的方程如下： 硅型 PN結(jié)實驗結(jié)果是： α= 104， β＝ 1108， Eg(0)= 結(jié)電容 Cj(0)受溫度控制的關(guān)系為： ]})()()(10400[1){()(0006??? n o r mn o r mn o r mjjTTTTmTCTC ??????? ?? 二極管模型的總參數(shù)表如下所示： 公式符號 參數(shù)名 定 義 默認(rèn)值 單 位 IS IS 飽和電流 1 1014 A rS RS 寄生串聯(lián)電阻 0 Ω n N 發(fā)射系數(shù) 1 τD TT 渡越時間 0 s CD(0) CJ0 零偏結(jié)電容 0 F φ0 VJ PN結(jié)內(nèi)建電勢 1 V m M PN結(jié)梯度因子 公式符號 參數(shù)名 定 義 默認(rèn)值 單 位 E g EG 禁帶寬度： ；SBD ；鍺 eV Pt XTI IS溫度指數(shù) :PN結(jié)二極管 ； FC FC 正偏耗盡層電容系數(shù) BV BV 反向擊穿電壓 BV ∞ V IBV IBV 反向擊穿電流 IBV 10－ 3 A K f KF 閃爍噪聲系數(shù) Kf 0 A f AF 閃爍噪聲指數(shù) Af 1 ? 如何提取二極管模型參數(shù)？ 以直流模型為例 有兩個直流參數(shù) IS和 n， 在 條件下，有 兩邊取對數(shù)，有 由測量值在半對數(shù)坐標(biāo)中作圖， 即可得出兩個直流參數(shù) IS和 n。當(dāng)正向偏置電壓 VD上升到 φ0/2，曲線給出的 CJ值與由公式計算出的 CJ值是很接近的，當(dāng) VDφ0/2時， CJ可以由線性外推法計算出近似值。其中一條是純理論曲線，一條是 ChawlaGummel推出的結(jié)果 。39。39。 )(djDdjDDD CCdVddVdQC ????? 二極管的總電容為 039。39。39。 djD Q ??這里 τD是渡越時間常數(shù)，表示二極管沖放電所需要的最小時間。39。39。 另一種電荷存儲形式是少數(shù)載流子注入中性區(qū)域，電荷方程為： DDnPd IQ ???? 39。一種是在耗盡區(qū)，是以摻雜濃度的電荷存儲形式，其電荷方程如下： DADSjnnVqQ11)(2 039。 ? 可見 ID是 VD的函數(shù)， VD取值范圍不同，函數(shù)表達(dá)式隨之變化 2. 大信號模型 大信號模型如圖所示。 A區(qū)是載流子的產(chǎn)生 、 復(fù)合形成的電流區(qū)； B區(qū)是擴(kuò)散電流區(qū) (理想 )； C區(qū)是大注入電流區(qū)； D區(qū)為串聯(lián)電阻效應(yīng)區(qū)； E區(qū)為反向漏電流區(qū)； F區(qū)為擊穿區(qū)。39。 LP是空穴的平均擴(kuò)散長度， LN是自由電子的擴(kuò)散長度。 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)。 ? 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。 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)。 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)。C。 TC1和 TC2分別是一次和二次溫度系數(shù)。 ? 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。 ? 某些情況下，可有目的地利用互連線的寄生效應(yīng)。 ? 制造工藝提供的多層金屬能有效地提高集成度。 ? 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。 ? 互連線的版圖設(shè)計是集成電路設(shè)計中的基本任務(wù)，在專門門陣列設(shè)計電路中甚至是唯一的任務(wù)。 兩種傳輸線類型的電感值計算 如下： 互連線 ? 互連線是各種分立和集成電路的基本元件。0 39。039。 它的電容 電壓特性取決于半導(dǎo)體表面的狀態(tài)。 ? 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。 ?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)行計算。 ? 雙極型晶體管和 MOS晶體管可以擔(dān)當(dāng)有源電阻。 薄層電阻的幾何圖形設(shè)計 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算 電 流 方 向LWh方塊電阻的幾何圖形 hWLR ?? ＝ R□ ? 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。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。 ? 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。 但在實際模擬時 ，程序仍然是以上述三類元件為基本單元來計算的 。 子電路大小不限 ， 可以嵌套 。 獨(dú)立源中除了直流源外還有交流小信號源和瞬態(tài)源 。 (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 。 ? 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。 ? 器件模型精度與計算量成反比，應(yīng)在滿足精度要求條件下采用盡量簡單的模型（ Compact Model）。 ? 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)。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)計工程，特別是模擬和模擬數(shù)字混合信號集成電路設(shè)計工程師必須掌握 SPICE的應(yīng)用。 ? 對器件模型的要求 ? 電路模擬與設(shè)計需要建立元器件精確模型。 ? 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。 ? 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) 。 (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)。 (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 。 當(dāng)電路由多個這樣子電路組成時 ， 這種定義是很方便的 。 (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。 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。 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。 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。 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