第3章、集成电路器件模型讲解
集成电路中的器件结构
第3章集成电路中的器件结构3．1 电学隔离的必要性和方法第2章中给出了二极管、双极型晶体管和MOS场效应晶体管的截面剖图(见图2—14、图2—19和图2—31)。
图中显示了这些器件的主要特征，但这种结构不能直接用于集成电路之中，在集成电路中它们的结构要复杂得多。
一块集成电路中含有百万以至千万个二极管、晶体管以及电阻、电容等元件，而且它们都是做在一个硅芯片上，即共有同一个硅片衬底。
因此，如果不把它们在电学上一一隔离起来，那么各个元器件就会通过半导体衬底相互影响和干扰，以至整个芯片无法正常工作，这是集成电路设计和制造时首先要考虑的问题。
为此要引入隔离技术，然后在隔离的基础上根据电路要求把相关的各元器件端口连接起来，以实现电路的功能。
在现代集成电路技术中，通常采用以下两种电学隔离方法：①通过反向PN结进行隔离；②采用氧化物(二氧化硅)加以隔离。
这两种方法能较好地实现直流隔离，其缺点是都会增加芯片面积并引入附加的电容。
现以MOS管为例说明反向PN结的隔离作用。
如在一个硅片衬底上有两个N沟MOS管，其结构与PN结的隔离作用见图3～1。
图3一l PN结隔离作用在每个N沟MOS管的源与衬底之间加一负偏压或将两者直接短路后接地，就可防止电流流向衬底。
同时由于两管的漏端总是处于正电压，漏与衬底结处于反向，沟道与衬底之间也形成一反向结，因此两个MOS管之间在电学上也就被隔离。
这是MOS场效应晶体管在结构上的一个固有优点，即可以利用MOS管本身的PN结实现隔离而不需增加新的PN结。
对于双极型晶体管常采用氧化物隔离方法，即在形成三极管区域的四周构筑一隔离环，该隔离环为二氧化硅绝缘体，因而集成电路中的各个三极管之间，以及各三极管与其他元件(如电阻、电容等)之间是完全电隔离的。
氧化物隔离的示意图见图3—2。
图中有两个三极管，每个三极管四周被二氧化硅所包围，因而这两个三极管在电学上完全被隔离，其横截面图将示于3．3节中的图3—5。
集成电路中的器件及模型chap3-2
真空 气凝胶 聚酰亚胺（有机物） 二氧化硅 玻璃环氧树脂 氮化硅
氧化铝
硅
边缘场电容
边缘电容：为了使导线电阻最小，尽可能保持导线的 截面积尽可能的大，此时，导线侧面和衬底之间的电 容不能再忽略。
根据工程实践，近似为两部分和 ： 一个平板电容：宽度为w的导 线与接地之间垂直电场决定 另一个边缘电容：用一条直径 等于互连宽度H的圆柱形导线来模 拟
双极集成电路中的MOS电容器
N＋
特点： 1. 单位面积电容值较小
隔离 槽
to x tox=100nm时，CA=3.45e-4pF/um2
30pF需约0.1mm2 2. 击穿电压BV较高（大于50V） BV＝EBtox
C MOS CO X
s o 0
i 2
A CA A
铝电极
N+ N-epi
(from [Bakoglu89])
47
Intel 0.25 微米工艺互连线
5 层金属 Ti/Al - Cu/Ti/TiN Polysilicon dielectric
导线电容 (0.25 m CMOS)
上极板 下极板
多晶 场氧 有源区 多晶
平面电容 边缘电容
前四层金属具有相同的厚度并采用同样的绝缘层， 第五层金属的厚度接近前者的两倍并布置在具有较高介电常数的绝缘层上。 导线布置在有源区有较高的电容
由于金属的电阻率是基本不变的，这将导致按
比例缩小后电路内连线的电阻增大。
芯片面积增大使连线长度增加，连线RC延迟影
响加大。 连线寄生效应对电路可靠性和速度带来影响。
一个总线网络中的每条导线把一个（或多个）发送器连至一组接收器 ，每条导线由一系列具有不同长度和几何尺寸的导线段构成。
模拟集成电路设计.ppt
§3-3: 其他MOS管大信号模型的参数
17
二、MOS电容
2. 耗尽结电容：CBD, CBS
P65 上式S→D 则 CBS→ CBD
18
§3-3: 其他MOS管大信号模型的参数
3.电荷存储电容： CGD, DGS ,CGB
交叠电容： C1、C3 、C5 珊-源/漏 C1 C3 LD Weff Cox CGXO Weff
25
§3-4: MOS管的小信号模型
1. gm,gmbs , gds 在饱和区：
gm (2K'W / L) ID (1 VDS ) (2K'W / L) ID
gmbs
iD vBS
iD vSB
( iD VT
)( VT ) vSB
iD iD VT vGS
gmbs gm 2(2 F
VSB )1/ 2
（a) （b)
多个器件的表示， 从匹配角度看更好。
37
§3-7: MOS电路的SPICE模拟
三、MOS模型描述
.MODEL < 模型名> <模型类型> <模型参数>
例如： .MODEL NCH NMOS LEVEL=1 VT0=1 KP=50U GAMMA=0.5 +LAMBDA=0.01
四、分析实例
vGS
VT
n
kT q
（简化模型，适合手工计算）
第3章第7节
35
3.7 MOS电路的SPICE模拟
36
§3-7: MOS电路的SPICE模拟
一、SPICE 模拟文件的一般格式
● 标题 ● 电路描述 (器件描述和模型描述) ● 分析类型描述 ● 输出描述
集成电路中的器件结构
第3章集成电路中的器件结构3．1 电学隔离的必要性和方法第2章中给出了二极管、双极型晶体管和MOS场效应晶体管的截面剖图(见图2—14、图2—19和图2—31)。
图中显示了这些器件的主要特征，但这种结构不能直接用于集成电路之中，在集成电路中它们的结构要复杂得多。
一块集成电路中含有百万以至千万个二极管、晶体管以及电阻、电容等元件，而且它们都是做在一个硅芯片上，即共有同一个硅片衬底。
因此，如果不把它们在电学上一一隔离起来，那么各个元器件就会通过半导体衬底相互影响和干扰，以至整个芯片无法正常工作，这是集成电路设计和制造时首先要考虑的问题。
为此要引入隔离技术，然后在隔离的基础上根据电路要求把相关的各元器件端口连接起来，以实现电路的功能。
在现代集成电路技术中，通常采用以下两种电学隔离方法：①通过反向PN结进行隔离；②采用氧化物(二氧化硅)加以隔离。
这两种方法能较好地实现直流隔离，其缺点是都会增加芯片面积并引入附加的电容。
现以MOS管为例说明反向PN结的隔离作用。
如在一个硅片衬底上有两个N沟 MOS管，其结构与PN结的隔离作用见图3～1。
图3一l PN结隔离作用在每个N沟MOS管的源与衬底之间加一负偏压或将两者直接短路后接地，就可防止电流流向衬底。
同时由于两管的漏端总是处于正电压，漏与衬底结处于反向，沟道与衬底之间也形成一反向结，因此两个MOS管之间在电学上也就被隔离。
这是MOS场效应晶体管在结构上的一个固有优点，即可以利用MOS管本身的PN结实现隔离而不需增加新的PN结。
对于双极型晶体管常采用氧化物隔离方法，即在形成三极管区域的四周构筑一隔离环，该隔离环为二氧化硅绝缘体，因而集成电路中的各个三极管之间，以及各三极管与其他元件(如电阻、电容等)之间是完全电隔离的。
氧化物隔离的示意图见图3—2。
图中有两个三极管，每个三极管四周被二氧化硅所包围，因而这两个三极管在电学上完全被隔离，其横截面图将示于3．3节中的图3—5。
集成电路中的器件及模型chap3-1
S (b ) NMOS D G
D PMOS S
S (c)
D
S (d )
D
MOS管阈值电压
Conditions – 阈值电压VT
S + VGS G D
n+
n+
n-channel p-substrate B
Depletion Region
NMOS晶体管VGS为正， 显示耗尽区和感应的沟道 EE141
4
13
（二）窄沟效应 （1 ）有效沟道宽度： 1. 鸟嘴 2. 场注 （2 ）沟宽方向上的边缘场使耗尽电荷增加
14
（三）迁移率变化 （1 ）影响迁移率的因素 1. 2. 3. 4. 载流子的类型 随掺杂浓度增加而减小 随温度增加而减小 随沟道纵向、横向电场增加而减小
（2 ）迁移率的纵向电场退化 （3 ）迁移率的横向电场退化
VGS - V T
VDS
20
ID与VGS 的关系
21
漏极电流和电压关系
饱和电流和VGS关系，长沟道器件中是平方关系 短沟道降低VGS不会像长沟晶体管那样显著
6 5 4 ID (A) 3 2 1 0 0 x 10
-4
VGS= 2.5 V
x 10 2.5
-4
VGS= 2.5 V
2
Resistive Saturation VDS = VGS - VT
1 VDD / 2
VDD / 2
VDD
V 3 VDD 7 dV (1 VDD ) I DSAT (1 V ) 4 I DSAT 9
Mos管等效电阻与电源电压VDD关系
7 x 10
5
6 5
1.电阻反比于器件的 (W/L)。晶体管的宽度 加倍则使电阻减半（因 IDSAT与W/L成正比）
集成电路器件及SPICE模型
根据对比结果，对SPICE模型的参数进行修正，减小误差。
验证模型准确性
通过多次修正和验证，确保SPICE模型能够准确模拟集成电路的性 能。
04
CATALOGUE
SPICE模型在集成电路设计中的应用
基于SPICE模型的电路仿真
模拟电路行为
SPICE模型能够描述电路中各个元 件的电气特性，通过仿真可以预 测电路在不同条件下的工作状态 和性能。
基于SPICE模型的集成电路可靠性分析
预测可靠性
基于SPICE模型的可靠性分析可以预测集成电路在不同环境和工 作条件下的性能退化和失效情况。
可靠性设计和优化
根据可靠性分析结果，设计师可以对集成电路进行针对性的可靠 性设计和优化，提高产品的可靠性和寿命。
失效分析
在集成电路失效分析中，SPICE模型可以辅助定位失效部位和原 因，为失效机理研究和改进设计提供依据。
根据集成电路的实际参数，如电阻阻值、电容容量、电感 感量、二极管和晶体管的电气特性等，设定SPICE模型的 参数值。
建立电路图
使用SPICE电路图编辑器，根据集成电路的电路图，绘制 对应的SPICE电路图。
集成电路器件的SPICE模型参数提取
01
测量电路性能
通过实际测量集成电路的输入输 出电压、电流等性能指标，验证 SPICE模型的准确性。
05
CATALOGUE
SPICE模型在集成电路制造中的应用
基于SPICE模型的制造工艺仿真
模拟电路行为
优化设计参数
在设计阶段，SPICE模型可用于优化电路元件的参 数，提高电路性能和稳定性。
通过SPICE模型，可以模拟集成电路在不同 工作条件下的行为，预测其性能和功能。
第3章模拟集成电路基础
模电拟 电子子 技技术 术
集成运放的电路结构特点
（1）因为硅片上不能制作大电容，所以集成运放均采用直 接耦合方式。 （2）因为相邻元件具有良好的对称性，而且受环境温度和 干扰等影响后的变化也相同，所以集成运放中大量采用各种 差分放大电路（作输入级）和恒流源电路（作偏置电路或有 源负载）。
（3）因为制作不同形式的集成电路，只是所用掩模不同， 增加元器件并不增加制造工序，所以集成运放允许采用 复杂的电路形式，以达到提高各方面性能的目的。
由场效应管同样可以组成镜像电流源、比例电流源等。T0～T3均为N沟道增强型 MOS管，它们的开启电压UGS(th)等参数相等。在栅-源电压相等时，MOS管的漏极 电流正比于沟道的宽长比。设宽长比W/L=S，且T0～T3的宽长比分别为S0、S1、 S2、S3。这样就可以通过改变场效应管的几何尺寸来获得各种数值的电流。
模电拟 电子子 技技术 术
比例电流源
基准电流 输出电流
分析
模电拟 电子子 技技术 术 比例电流源分析
微电流
输出电流可以大于或小于基准电流，与基准电流成比例关系。
模电拟 电子子 技技术 术
微电流源
基准电流 输出电流
分析
模电拟 电子子 技技术 术
微电流源分析
在已知Re的情况下，上式对输 出电流IC1而言是超越方程，可 以通过图解法或累试法解出IC1。
模电拟 电子子 技技术 术
长尾式差分放大电路
电路参数理想对称，Rb1=Rb2=Rb，Rc1=Rc2=Rc；T1管与 T2管的特性相同，β1= β 2= β ，rbe1=rbe2=rbe；Re为 公共的发射极电阻。
静态分 析 共模信 号作用
差模信 号作用
模电拟 电子子 技技术 术
第3章-MOS集成电路器件基础
第三章 MOS集成电路器件基础
PMOS在截止区、 线性区、 恒流区的电流方程如 式(3 - 5)所示：
|UGS|<|UTHP| (3-5a)
0
(截止区)
I DP
PCox W [2(U
2 L
pCox 2
W L
U
GS
GS UTHP
UTHP 2 (1
)U DS
U
2 DS
(3-5b) ]|UDS|<|UGS|-|UTHP|
第三章 MOS集成电路器件基础
G 多晶硅 D
S
氧化 层
W
N＋ P型 衬 底
Leff
N＋
Ldra wn
LD
图3 - 1 NMOS管的简化结构
第三章 MOS集成电路器件基础
3.1.2 N阱及PMOS 为了使MOS管的电流只在导电沟道中沿表面流动
而不产生垂直于衬底的额外电流， 源区、 漏区以及沟 道和衬底间必须形成反偏的PN结隔离， 因此， NMOS 管的衬底B必须接到系统的最低电位点(例如“地”)， 而PMOS管的衬底B必须要接到系统的最高电位点(例如 正电源UDD)。 衬底的连接如图3 - 2(a)、 (b)所示。
出来的， 但在集成电路中， 在同一硅片衬底上要做许 多管子， 为保证它们正常工作， 一般N管的衬底要接 到全电路的最低电位点, P管的衬底接到最高电位点UDD。
第三章 MOS集成电路器件基础
UDD
G2
V2
B2 S2
G1
V1
S1
B1
图3-10 UBS<的MOS 管（V2）
第三章 MOS集成电路器件基础
源区(N＋ )
反型层 源区(N＋ )
电流
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一、二极管模型
集成电路和半导体器件的各类特性都是 PN结相互作用的结果，它是微电子器件 的基础。 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。 以PN结构成的二极管最基本的电学行为 是具有单向导电性。
5
二极管等效电路模型
+V RS + VD ID Cj Cd
14
GP直流模型
C
rC
C
I LC
B
rBB
I LE
I EC
B
'
R
I CC
I CT I CC I EC
F
E
rE
E
15
GP大信号模型
GP大信号模型与EM大信号模型类似， 引入修正内容：
集电结电容分布特性：划分为两个电容 渡越时间随偏置的变化：大电流时 τF不再是
常数
基区中的分布现象
r
B
基区宽度调制效 应参数欧拉电压
r
0
g mF
rBB
+Leabharlann CB+
V
-
C
rc
C ro CCS
V
-
r
C
( g mFV g mRV )
E
VCE 1 ro IC gmF 1 kT VV qVAF t AF
rE E
gmF
dI C dVBE
Q
I CQ Vt
D
Cj0 m V0
7
二、双极晶体管模型
SPICE中的双极型晶体管常用两种物理 模型，两种模型参数能较好地反映物理 本质且易于测量。 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。
理想最大正向电流增益
理想最大反向电流增益 正向厄利（欧拉）电压 反向厄利（欧拉）电压
αF
αR VAF VAR
BF
BR VAF VAR MJE MJC MJS VJE VJC VJS
－
－ V V － － － V V V
100
1 ∞ ∞ 0.33 0.33 0.0 0.75 0.75 0.75
18
I EQ dI E gmR dVBC Vt VCE r r0 0 I B
12
双极型体管GP模型
13
双极型晶体管GP模型
与EM模型相比，GP模型增加以下几个物理效应： 1. 小电流时β值下降 2. 大注入效应，改善了高电平下的伏安特性 3. 基区宽度调制效应：改善了输出电导、电流增益和特征 频率，反映了共射极电流放大倍数 β 随电流和电压的变 化 4. 发射系数的影响 5. 基极电阻随电流变化 6. 正向渡越时间 τF随集电极电流 IC的变化，解决了在大注 入条件下由于基区展宽效应使特征频率 fT 和 IC 成反比的 特性。 7. 模型参数和温度的关系。 8. 根据横向和纵向双极晶体管的不同，外延层电荷存储引 起的准饱和效应。
10
E
EM直流模型
NPN
EM2模型
I B IC I E 0 VCE VBE VBC
VBE Vt
I C I S (e IE IS
1)
VBE Vt
R
IS
(e
VBC Vt
1) 1)
F
(e
1) I S (e
VBC Vt
EM大信号模型
11
EM小信号等效电路
8
双极型晶体管EM模型
9
EM模型
c
IC αFIF
• 将电流增益作为频率的函数来 处理，对计算晶体管存贮效应 和瞬态特性不方便。 • 改进的 EM 模型采用电荷控制
IB
VBC +
IR
B
+ VBE IE IF αRIR
观点，增加电容到模型中。
• 进一步考虑到发射极、基极和 集电极串联电阻，以及集成电 路中集电结对衬底的电容，于 是得到EM2模型。
集成电路设计
第三章 集成电路器件模型
1 2
无源器件模型
二极管模型
双极型晶体管模型 MOS晶体管模型
3
4 5
JFET模型、 MESFET模型 噪声模型
2
6
器件模型
电路中的有源器件用模型描述该器件的特性。 器件模型是根据器件的端电压和端电流的关系 ，利用数学方程、等效电路以及工艺数据拟合 等方法来描述器件的功能和性能，是集成电路 设计中对器件功能和性能进行模拟验证的重要 依据。 电路模拟结果是否符合实际情况，主要取决于 器件模型是否正确，特别是采用的模型参数是 否真正代表实际器件的特性。 不同的电路模拟软件中采用的模型不完全相同 ，模型参数的名称和个数也不尽相同。
VD V I D RS
VD C j C j0 1 V 0
m
VD n V t I D IS e 1
Vt
kT q
_
Cd
dQ τ dVD
D
dID τ D I D dVD n Vt
Cj和Cd分别代表PN结的势垒电容和扩散电容。 RS代表从
16
GP小信号模型
C jx
+
rB B
B
V
GP小信号模
-
r
C
rc
C CJS
型与EM小信
号模型十分一
B
+
V
C
r
C
E
go
rE E
( g mFV g mRV )
致，只是参数
的值不同。
17
双极型晶体管SPICE模型参数
参数名 饱和电流 公式中符号 SPICE中符号 单位 IS IS A SPICE默认值 10－16
外电极到结的路径上通常是半导体材料的电阻，称之为体
电阻。
6
二极管模型参数
参数名 饱和电流 发射系数 串联体电阻 渡越时间 零偏势垒电容 梯度因子 PN结内建势垒 符号 IS n RS Spice名 IS N RS TT CJ0 M VJ 单位 A s F V 缺省值 1.0×10-14 1 0 0 0 0.5 1
3
器件模型越精确，电路模拟效果越好，但是计 算量也越大，因此应折衷考虑。对同一种器件 ，往往提出几种模型。 学习中应该掌握模型参数的含义，特别应注意 每个模型参数的作用特点，即在不同的电路特 性分析中必需考虑哪些模型参数。每个模型参 数均有内定值。除了描述基本直流模型的几个 参数外，其他模型参数如果采用内定值，相当 于不考虑相应的效应。 如果采用模拟软件附带的模型参数库，当然不 存在任何问题。如果采用模型参数库中未包括 的器件，如何比较精确地确定该器件的模型参 数将是影响电路模拟结果的关键问题。