第6章集成电路器件及SPICE模型
Altium Designer15.0 第6章 电子线路元件及SPICE模型
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传输线 --有损传输线
下图给出了有损传输线的符号，这是一个用于单个导体 有损传输线的两端口卷积模型。其SPICE模型表示为：
OXXXXXXX N1 N2 N3 N4 MNAME
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电压和电流源 --非线性独立源
下图给出了非线性独立源的符号，SPICE模型表示为：
BXXXXXXX N+ N- <I=EXPR> <V=EXPR>
其中：
N+、N-：非线性独立源的正端和负端。
V参数的值：确定通过设备的电压值，V表示电压源。
I参数的值：确定通过设备的电流值，表示电流源。
基本元件 --开关
例如：
s1 1 2 3 4 switch1 ON
s2 5 6 3 0 sm2 off
Switch1 1 2 10 0 smodel1
w1 1 2 vclock switchmod1
W2 3 0 vramp sm1 ON
wreset 5 6 vclck lossyswitch OFF
例如：
VIN 3 0 PULSE(-1 1 2NS 2NS 2NS 50NS 100NS)
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电压和电流源 --正弦源
下图给出了正弦源的符号，其SPICE模型表示为：
SIN(VO VA FREQ TD THETA)
例如：
VIN 3 0 SIN(0 1 100MEG 1NS 1E10)
spice模型
4）LEVEL＝4 级别为4的MOS4模型又称BSIM（Berkeley short-channel IGFET model）模型。该模型 是由美国伯克利大学1984年专门为短沟道MOS 场效应晶体管而开发的模型，是AT&T Bell实验 室简练短沟道IGFET模型的改进型。模型是在 物理基础上建立的，模型参数由工艺文件经模 型参数提取程序自动产生，适用于数字电路和 模拟电路，而且运行时间比二级模型平均缩短 一半左右。现已发表的有BSIM1、BSIM2、 BSIM3和BSIM4等模型。
一、模型参数提取方法
实际电路分析中用到的一般都是元件的
等效电路模型。由于集成电路元件主要是 由半导体器件组成的，因此，这些等效电 路模型又都是以物理模型为基础的。
1）物理模型 半导体器件的物理模型是从半导体的基本方程 出发，并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。一般说来，随 着集成电路集成度的提高，器件的结构、尺寸 都在发生变化，器件的物理模型就越加复杂。 在物理模型中经常包含有一些经验因子，目的 是为了使模型与实验结果符合得更好。一般说， 模型中考虑的因素越多，与实际结果就符合得 越好，但模型也就越复杂，在电路模拟中耗费 的计算工作量就越大。
体管模型。这两种模型均属于物理模型，其模
型参数能较好地反映物理本质并且易于测量，
便于理解和使用。
一、双极型晶体管的EM模型
C IC VBC IB + B + VBE IR aFIF
IS VBC VBE I C I S exp 1 exp V 1 Vt R t
二极管及其SPICE模型
PN结是微电子器件的基本结构之一，集成电
路和半导体器件的大多数特性都是PN结相互作 用的结果。如果通过某种方法使半导体中一部 分区域为P型，另一部分区域为N型，则在其交 界面就形成了PN结。 一般的二极管就是由一个PN结构成的，以PN 结构成的二极管的最基本的电学行为是具有单 向导电性，这在实际中有非常大的用处。
集成电路器件及SPICE模型
第6章集成电路器件6.1无源器件结构及模型集成电路中的无源元件包括:互连线、电阻、电容、电感、传输线等16.1.1 互连线在混合集成电路和单片集成电路的衬底上，互连线大多数是由金属薄层形成的条带。
不同衬底上的电路的互连可能用到金属裸线或电缆。
互连线设计应该注意以下方面：尽量短：减小信号或电源引起的损耗、减小芯片面积最小宽度：传输微弱电流，提高集成度保留足够的电流裕量：传输大电流多层金属：提高集成度趋肤效应和寄生参数（微波和毫米波）寄生效应：传导电阻实现低值电阻；寄生电容用作微波或毫米波信号的旁路电流。
2⏹深亚微米阶段后，互联线的延迟已经超过逻辑门的延迟，成为时序分析的重要组成部分。
应采用链状RC网络、RLC网络或进一步采用传输线来模拟互联线。
⏹常见的寄生效应有串联寄生电阻、并联寄生电容。
电源和地之间，电阻造成直流和瞬态压降；长信号线上，分布电阻电容带来延迟；导线长距离并行或不同层导线交叉时，带来相互串扰问题。
⏹为了保证模型的精准度和信号的完整性，需要对互联线的版图结构进行约束和规整。
⏹典型的串联寄生电阻值：金属0.05Ω/ □，多晶硅10-15Ω/ □，扩散区20-30Ω/ □。
简单长导线的寄生模型36.1.2 电阻⏹电阻是模拟电路的最基本的元件，在集成电路中有多种设计和制造方法，分为无源电阻和有源电阻。
⏹实现电阻有4种方式：1.晶体管结构中不同材料层的片式电阻2.专门加工制造的高质量高精度电阻3.互连线的传导电阻4.有源电阻5R =ρL/ dW=(ρ/d)L/W电阻的计算方块电阻薄层导体的电阻R 与L/W 成正比，当L=W 时，有R=ρ/d 。
定义比例系数ρ/d 为方块电阻(用R □表示)，单位为欧姆。
R □=ρ/d R= R □L/WR □表示一个正方形材料的薄层电阻,它与正方形边长的大小无关, 只与半导体的掺杂水平和掺杂区的结深（即材料厚度）有关。
⏹ 1.晶体管结构中不同材料层的片式电阻双极型硅工艺：掩埋集电极的N+层，2-10Ω/ □基极P-层，KΩ/ □CMOS工艺：阱区形成片式电阻优点：实现10Ω-10KΩ的电阻值缺点：晶体管结构材料层构成，导致电阻随工艺和温度变化较大⏹ 2.专门加工制造的高质量高精度电阻CMOS工艺：多晶硅形成薄膜电阻GaAs工艺：镍、铬金属共同蒸发形成薄膜电阻，20-2000Ω73.互连线的传导电阻注意：根据工艺要求不同，电阻的长度为两引线孔之间的材料长度或电阻器8高频时，必须考虑电阻的寄生参数，采用其等效电路代替电阻进行电路模拟。
集成电路器件及SPICE模型
12
图6.5 (a)叉指结构电容 (b)MIM 结构电容
13
电容
平板电容公式
d 高频等效模型:并联G、串联L和R。
自谐振频率 f0
f0 1 2 LC
C
r 0lw
f < f0 / 3
品质因数 Q
14
6.1.4 电感
引言 集总电感
L 1.26a[ln(8a / w) 2 （ ] pH）
ZL 60
reff
8h w ln w 4h
ZL
120
w/h<1
w h h reff 2.42 0.44 1 h w w
6
w/h>1
微带线的衰减α由两部分组成：导线损耗和 介质损耗 形成微带线的基本条件是，介质衬底的背面 应该完全被低欧姆金属覆盖并接地，从而使 行波的电场主要集中在微带线下面的介质中。
22
3. 共面波导(CPW)---微波平面传输线
在介质基片的一个面上制作出中心导体带，并在 紧邻中心导体带的两侧制作出导体平面
图6.12 (a)常规共面波导
(b)双线共面波导
23
CPW传输TEM波的条件 CPW的阻抗计算
图6.11
(a)典型微带线的剖面图
(b)覆盖钝化膜的微带线
20
TEM波(电磁波的电场和磁场都在垂直于 传播方向的平面上 ) 传输线的条件
w, h 0 /(40 r )
1/ 2
GaAs衬底的厚度<200um
21
微带线设计需要的电参数主要是阻抗、衰减、 无载QDS
集成电路模拟与spice重点总结
通用电路模拟程序的基本组成：
输入处理 器件模型处理
建立电路方程
求数值解
输出处理
SPICE（Simulation Program With Integrated Circuit Emphasis)即重点用于集成电路的模拟程序。 主要功能
•直流分析----可实现工作点分析（OP)，扫描分析（DC），小信号 灵敏度 分析（SENS) ，传输函数（TF）计算等。 •直流工作点: 电路电容开路,电感短路,各信号源取其直流电平值． •直流扫描（转移特性）：输入端加固定步长的扫描电压／电流，对应每一 输入偏置求出输出端和其它节点电压／支路电流． •直流小信号传输特性：假定输入端有一个直流小信号变化量，求直流小信 号传输函数值（输出／输入），输入电阻，输出电阻． •直流小信号灵敏度：确定各个指定输出变量对每个电路参数的直流小信号 灵敏度． •频域分析（交流分析）----可实现频响分析／噪声分析 •频响分析：输出变量作为频率的函数计算出来． •噪声分析：求不同频率点的输出噪声和等效输入噪声（噪声频谱) •失真分析：一或两个信号频率加在输入端，求输出端倍／差／和频
SPICE输入描述语句的构成：
标题语句
注释语句 电路的描述语句 电路特性分析和控制语特性指标要求， 通过各种方法，确定采用的线路拓扑结构以及 各个元器件参数的过程。
电路模拟
根据电路的拓扑结构和元件参数将电路问题转 换成适当的数学方程并求解，根据计算结果检 验电路设计的正确性。
电路模拟在集成电路设计中起的作用：
版图设计前的电路设计，保证电路正确(包括电路结构和元 件参数) 有单元库支持：单元事先经过电路模拟 无单元库支持的全定制设计：由底向上，首先对单元门电 路进行电路设计、电路模拟，依此进行版图设计，直至整 个电路 后仿真：考虑了寄生参数，由电路模拟预测电路性能
第6章 基于SPICE的集成电路仿真2
电容元件的SPICE输入语句格式
格式
Cxxxx N+ N- Value <IC=Incond> Cxxxx——电容标识，如C230、CBE等 N+、N- ——电容的正、负连接结点标号 Value——电容值，可以采用比例缩写因子 Incond——测试电压值 例 CB 15 18 1UF IC=1.0V C25 20 23 19PF
线性电流控制受控源的SPICE输入语句格式
格式 F/Hxxxx N+ N- Vname Vlalue F/Hxxxx——受控电流/压源标识，如F3、H2等 N+、N- ——受控源的正负两个输出结点标号 Vname——控制电流支路电压源标识 Value——控制系数（电流增益、转移电阻） 例 F2 15 18 VS 2 H5 20 23 VBE 3.9K
利分校电工和计算机科学系开发完成，常称为 BSPICE BSPICE是现代各种SPICE的前身，它的源代码 公开 其版本不断更新 1988年被定为美国国家标准。现在，已成为电路 分析事实上的国际标准。
SPICE
主要针对由无源元件(R,C,L,TL等）、半导体
器件（BJT, MOS等）、电源等组成的电路 作分析. 可以进行的电路分析：直流分析、瞬态分析、 交流分析、噪声分析、温度特性分析、 Monte Carlo统计分析、最坏情况（worstcase)分析等。 SPICE程序最基本的数据与指令输入方式是 特定格式的语句：电路描述语句+特性分析语 句+特性控制语句。
首字母 B C D E F G H I J 电路元器件 砷化镓场效应管 电容 二极管 电压控制电压源 电流控制电流源 电压控制电流源 电流控制电压源 独立电流源 结型场效应晶体管 首字母 L M Q R S T V W X 电路元器件 电感 MOS场效应晶体管 双极型晶体管 电阻 电压控制开关 传输线 独立电压源 电流控制开关 子电路
SPICE器件模型
SPICE器件模型为了进行电路模拟，必须先建立元器件的模型，也就是对于电路模拟程序所支持的各种元器件，在模拟程序中必须有相应的数学模型来描述他们，即能用计算机进行运算的计算公式来表达他们。
一个理想的元器件模型，应该既能正确反映元器件的电学特性又适于在计算机上进行数值求解。
一般来讲，器件模型的精度越高，模型本身也就越复杂，所要求的模型参数个数也越多。
这样计算时所占内存量增大，计算时间增加。
而集成电路往往包含数量巨大的元器件，器件模型复杂度的少许增加就会使计算时间成倍延长。
反之，如果模型过于粗糙，会导致分析结果不可靠。
因此所用元器件模型的复杂程度要根据实际需要而定。
如果需要进行元器件的物理模型研究或进行单管设计，一般采用精度和复杂程度较高的模型，甚至采用以求解半导体器件基本方程为手段的器件模拟方法。
二维准静态数值模拟是这种方法的代表，通过求解泊松方程，电流连续性方程等基本方程结合精确的边界条件和几何、工艺参数，相当准确的给出器件电学特性。
而对于一般的电路分析，应尽可能采用能满足一定精度要求的简单模型（Compact model）。
电路模拟的精度除了取决于器件模型外，还直接依赖于所给定的模型参数数值的精度。
因此希望器件模型中的各种参数有明确的物理意义，与器件的工艺设计参数有直接的联系，或能以某种测试手段测量出来。
目前构成器件模型的方法有两种：一种是从元器件的电学工作特性出发，把元器件看成‘黑盒子’，测量其端口的电气特性，提取器件模型，而不涉及器件的工作原理，称为行为级模型。
这种模型的代表是IBIS模型和S参数。
其优点是建模和使用简单方便，节约资源，适用范围广泛，特别是在高频、非线性、大功率的情况下行为级模型几乎是唯一的选择。
缺点是精度较差，一致性不能保证，受测试技术和精度的影响。
另一种是以元器件的工作原理为基础，从元器件的数学方程式出发，得到的器件模型及模型参数与器件的物理工作原理有密切的关系。
SPICE模型是这种模型中应用最广泛的一种。
SPICE的器件模型大全(第6章)
SPICE的器件模型大全在介绍SPICE基础知识时介绍了最复杂和重要的电路描述语句，其中就包括元器件描述语句。
许多元器件（如二极管、晶体管等）的描述语句中都有模型关键字，而电阻、电容、电源等的描述语句中也有模型名可选项，这些都要求后面配以.MODEL起始的模型描述语句，对这些特殊器件的参数做详细描述。
电阻、电容、电源等的模型描述语句语句比较简单，也比较容易理解，在SPICE基础中已介绍，就不再重复了；二极管、双极型晶体管的模型虽也做了些介绍，但不够详细，是本文介绍的重点，以便可以自己制作器件模型；场效应管、数字器件的模型过于复杂，太专业，一般用户自己难以制作模型，只做简单介绍。
元器件的模型非常重要，是影响分析精度的重要因素之一。
但模型中涉及太多图表，特别是很多数学公式，都是在WORD下编辑后再转为JEPG图像文件的，很繁琐和耗时，所以只能介绍重点。
一、二极管模型：1.1 理想二极管的I-V特性：1.2 实际硅二极管的I-V特性曲线：折线1.3 DC大信号模型：1.4 电荷存储特性：1.5 大信号模型的电荷存储参数Qd：1.6 温度模型：1.7 二极管模型参数表：二、双极型晶体管BJT模型：2.1 Ebers-Moll静态模型：电流注入模式和传输模式两种2.1.1 电流注入模式：2.1.2 传输模式：2.1.3 在不同的工作区域，极电流Ic Ie的工作范围不同，电流方程也各不相同：2.1.4 Early效应：基区宽度调制效应2.1.5 带Rc、Re、Rb的传输静态模型：正向参数和反向参数是相对的，基极接法不变，而发射极和集电极互换所对应的两种状态，分别称为正向状态和反向状态，与此对应的参数就分别定义为正向参数和反向参数。
2.2 Ebers-Moll大信号模型：2.3 Gummel-Pool静态模型：2.4 Gummel-Pool大信号模型：拓扑结构与Ebers-Moll大信号模型相同，非线性存储元件电压控制电容的方程也相同2.5 BJT晶体管模型总参数表：三、金属氧化物半导体晶体管MOSFET模型：3.1 一级静态模型：Shichman-Hodges模型3.2 二级静态模型（大信号模型）：Meyer模型3.2.1 电荷存储效应：3.2.2 PN结电容：3.3 三级静态模型：3.2 MOSFET模型参数表：一级模型理论上复杂，有效参数少，用于精度不高场合，迅速粗略估计电路二级模型可使用复杂程度不同的模型，计算较多，常常不能收敛三级模型精度与二级模型相同，计算时间和重复次数少，某些参数计算比较复杂四级模型BSIM，适用于短沟道（<3um）的分析，Berkley在1987年提出四、结型场效应晶体管JFET模型：基于Shichman-Hodges模型4.1 N沟道JFET静态模型：4.2 JFET大信号模型：4.3 JFET模型参数表：五、GaAs MESFET模型：分两级模型（肖特基结作栅极）GaAs MESFET模型参数表：六、数字器件模型：6.1 标准门的模型语句：.MODEL <(model)name> UGATE [模型参数] 标准门的延迟参数：6.2 三态门的模型语句：.MODEL <(model)name> UTGATE [模型参数]三态门的延迟参数：6.3 边沿触发器的模型语句：.MODEL <(model)name> UEFF [模型参数]边沿触发器参数：JKFF nff preb,clrb,clkb,j*,k*,g*,gb* JK触发器，后沿触发DFF nff preb,clrb,clk,d*,g*,gb* D触发器，前沿触发边沿触发器时间参数：6.4 钟控触发器的模型语句：.MODEL <(model)name> UGFF [模型参数]钟控触发器参数：SRFF nff preb,clrb,gate,s*,r*,q*,qb* SR触发器，时钟高电平触发DLTCH nff preb,clrb,gate,d*,g*,gb* D触发器，时钟高电平触发钟控触发器时间参数：6.5 可编程逻辑阵列器件的语句：U <name> <pld type> (<#inputs>,<#outputs>) <input_node>* <output_node># +<(timing model)name> <(io_model)name> [FILE=<(file name) text value>] +[DATA=<radix flag>$ <program data>$][MNTYMXDLY=<(delay select)value>]+[IOLEVEL=<(interface model level)value>]其中：<pld type>列表<(file name) text value> JEDEC格式文件的名称，含有阵列特定的编程数据JEDEC文件指定时，DATA语句数据可忽略<radix flag> 是下列字母之一：B 二进制 O 八进制 X 十六进制<program data> 程序数据是一个数据序列，初始都为0PLD时间模型参数：七、数字I/O接口子电路：数字电路与模拟电路连接的界面节点，SPICE自动插入此子电路子电路名（AtoDn和DtoAn）在I/O模型中定义，实现逻辑状态与电压、阻抗之间的转换。
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双端口电感与键合线电感
19
6.1.5 分布参数元件
1. 集总元件和分布元件
随着工作频率的增加，一些诸如互连线的IC 元件的尺寸变得很大，以致它们可以与传输 信号的波长相比。这时，集总元件模型就不 能有效地描述那些大尺寸元件的性能，应该 定义为分布元件。
20
2. 微带线
5
图6.3 复杂互连线的寄生电容
6
6.1.2 电阻
实现电阻有四种方式： 1.晶体管结构中不同材料层的片式电阻（不准
确） 2.专门加工制造的高质量高精度电阻（薄膜电
阻）
7
3.互连线的传导电阻 （阻值低）
• 阻值计算 • 最小宽度
图 (a)单线和U-型电阻结构 (b)它们的等效电路
8
4. 有源电阻 (1) 栅、漏短接并工作在饱和区的MOS有源电阻
3
图6.1 简单长导线的寄生模型
不同材料的串联寄生电阻值不同 : 金属（铜、铝）的典型值为0.05Ω/□; 多晶硅的典型值为10～15Ω/□; 扩散区的典型值为20～30Ω/□;
4
图6.2 简单并联寄生电容 单位长度电容计算经验公式：
Cw0.7 71.06 w0.25 1.06 w0.5
h
h
h
GaAs衬底的厚度<200um
22
微带线设计需要的电参数主要是阻抗、衰减、 无载Q、波长、迟延常数。
阻抗计算
ZL
6r0effln8wh4wh w/h<1
ZL
120
reffw h2.420.44w h1w h6 w/h>1
微带线的衰减α由两部分组成：导线损耗和 介质损耗
形成微带线的基本条件是，介质衬底的背面 应该完全被低欧姆金属覆盖并接地，从而使 行波的电场主要集中在微带线下面的介质中。
ZL
302 reff
ln211
w w//dd
w d
0.17
由ZL计算CPW的宽度W: 对应于厚衬底 / 薄衬底有效介电常数有变化
23
3. 共面波导(CPW)---微波平面传输线
在介质基片的一个面上制作出中心导体带，并在 紧邻中心导体带的两侧制作出导体平面
图6.12 (a)常规共面波导
(b)双线共面波导
24
CPW传输TEM波的条件
d0/(40r1/2)
CPW的阻抗计算
ZL 12ref0f ln2 wd
w 0.17 d
11
总结： 有源电阻的几种形式
D VB
S (a)
D
S (b)
D
S
VB
S
D
(c)
(d)
S
D (e)
( a ) ( d ) 和 ( c ) 直流电阻 Ron<交流电阻 rds ( b )和( e ) 直流电阻 Ron>交流电阻 rds
12
6.1.3 电容
在高速集成电路中，有多种实现电容的 方法：
1）利用二极管和三极管的结电容； 2）利用图6.5(a)所示的叉指金属结构； 3）利用图6.5(b)所示的金属-绝缘体-金属
IDS I
I
VGS V VTP
DI
O
S
+
G+
G
V -
S
VTN V VGS
(a) NMOS
V-
O
I
D
IDS (b) PMOS
图6.2 栅漏短接的MOS有源电阻及其I-V曲线
R on VGSV I 2ntooxxW L(VV V TN )2 直流电阻 Ron>交流电阻 rds
r d s V ID DV G S S V S V ID GV G S S V S g 1 m t n o o x x W L ( V 1 V T)N
电感精度：电感模型
18
传输线电感 获得单端口电感的另一种方法是使用长度L<l/4λ
波长的短电传输线(微带或共面波导)或使用长度在 l/4λ< l<l/2λ范围内的开路传输线。
L 2Z 0 tal'n 2h Z 0 ta l' n Z 0 2l'/c 0 l'/ 4
短路负载： Z(l)jZ0tg l
2
6.1.1 互连线
在集成电路的衬底上，互连线大多数是由金 属薄层形成的条带。
互连线设计应该注意以下方面： 1. 大多数连线应该尽量短 ，减少损耗； 2. 传输微弱电流时，采用最小宽度，提高集成 度； 3.传输大电流时，保留足够的电流裕量； 4. 多层金属能有效提高集成度 ； 5. 趋肤效应和寄生参数（微波和毫米波） 6. 防止或利用寄生效应 ；
微带线是一根带状导线(信号线)，与地平面之间用一种 电介质隔离开。如果线的厚度、宽度以及与地平面之间的距 离是可控制的，则它的特性阻抗也是可以控制的。
图6.11 (a)典型微带线的剖面图
(b)覆盖钝化膜的微带线
21
TEM波(电磁波的电场和磁场都在垂直于 传播方向的平面上 ) 传输线的条件
w,h0/(40r1/2)
9
(2) VGS保持不变的饱和区有源电阻
IDS I
Ron
o
rds
VGS >VTN
条件：VGS保持不变
o
V
VDS
图6.3 饱和区的NMOS有源电阻示意图
直流电阻 Ron<交流电阻 rds
10
对于理想情况，Oˊ点的交流电阻应为无穷 大，实际上因为沟道长度调制效应，交流电 阻为一个有限值，但远大于在该工作点上的 直流电阻。在这个工作区域，当漏源电压变 化时，只要器件仍工作在饱和区，它所表现 出来的交流电阻几乎不变，直流电阻则将随 着漏源电压变大而变大。
第6章 集成电路器件及 SPICE模型
6.1 无源器件结构及模型 6.2 二极管电流方程及SPICE模型 6.3 双极晶体管电流方程及SPICE模型 6.4 结型场效应管JFET模型 6.5 MESFET模型 6.6 MOS管电流方程及SPICE模型
1
6.1 无源器件结构及模型
集成电路中的无源元件包括: 互连线、电阻、电容、电感、传输线等
6.1.4 电感
单匝线圈版图
L 1 .2a [6l8 n a /w () 2 （ ]p） H
a，w 取微米单位
16
多匝螺旋形线圈电感值计算公式为：
L[pH ] (rori)2N2 25 .4(60 ro28 ri)
式中：ri=螺旋的内半径，微米， r0=螺旋的外半径，微米， N=匝数。
17
ห้องสมุดไป่ตู้感
(MIM)结构； 4）利用类似于图6.5(b)的多晶硅/金属-绝
缘体-多晶硅结构；
13
图6.5 (a)叉指结构电容 (b)MIM 结构电容
14
电容
平板电容公式 C r0lw
d
高频等效模型:并联G、串联L和R。
自谐振频率 f0
f0
2
1 LC
f < f0 / 3
品质因数 Q
15
引言 集总电感