集成电路器件及SPICE模型
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。
第3章 器件的物理基础及其Spice模型
9
3.1.3 PN结的单向导电性
一、正向偏置的 PN 结 二、反向偏置的 PN 结
正向偏置
耗尽区变窄 正向电流
反向偏置
耗尽区变宽 反向电流
扩散运动加强， 扩散运动加强， 漂移运动减弱
扩散运动减弱， 漂移运动加强
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2. 外加反向电压, PN结截止 在PN结两端加反向电压，即P区接电源负极，N区接电源 正极，如图3-3(b)所示。在外加反向电压的作用下PN结变宽， 阻碍多数载流子的扩散运动。少数载流子在外加电压作用下形 成微弱电流，由于电流很小，可忽略不计，所以PN结处于截 止状态。 应当指出的是，少数载流子是由于热激发产生的，所以 少数载流子是由于热激发产生的， 少数载流子是由于热激发产生的 PN结的反向电流与温度有关 结的反向电流与温度有关，必须注意较大的温度变化会对 结的反向电流与温度有关 半导体器件有影响。
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3.2 有源器件 3.2.1 双极型晶体管 及其SPICE模型
npn管的结构 npn管的结构
图3-5 NPN晶体管结构 图
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2) 横向PNP的结构 横向PNP的特点包括： 的特点包括： 横向 的特点包括 (1) β小(由于工艺限制，基区宽度不可能太小，且有纵向 PNP的作用)； (2) 频率响应差(fT小)； (3) 载流子是空穴。 改善的方法：在图形设计上减小发射区面积和周长之比。 横向PNP的结构如图3-6所示。
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1. 双极型晶体管的结构 1) NPN管的结构 图3-5为集成电路中使用的NPN晶体管的平面图和剖面图。 其外延层是一种杂质种类和浓度与衬底不同的半导体结晶薄层。 集成电路内各器件依靠处于反向偏置的PN结相互隔离。 集成电路内各器件依靠处于反向偏置的 结相互隔离。 结相互隔离 包括集电极在内的各个电极均形成在上表面。 隐埋层(N 是在外延之前扩散形成的 是在外延之前扩散形成的， 隐埋层 +)是在外延之前扩散形成的，是为了降低集电极 电流通路的电阻(集电极电阻 而设置的 电流通路的电阻 集电极电阻)而设置的。 集电极电阻 而设置的。
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67页PPT
51、没有哪个社会可以制订一部永远 适用的 宪法， 甚至一 条永远 适用的 法律。 ——杰 斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 ——罗·伯顿
谢谢！
51、 等 于是呼 吸，生 命是活 动。——卢 梭
53、 伟 大 的 事 业，需 要决心 ，能力 ，组织 和责任 感。 ——易 卜 生 54、 唯 书 籍 不 朽。——乔 特
55、 为 中 华 之 崛起而 读书。 ——周 恩来
第5章集成电路元器件及其SPICE模型ppt课件
金属叉指结构电容
优点：不需要额 外的工艺。
特征尺寸急剧降 低，金属线条的 宽度和厚度之比 大大减小，叉指 的侧面电容占主 导地位。
PN结电容
❖ 利用PN结电容的优点也是不需要额外的工艺，但所 实现的电容有一个极性问题。
❖耗尽区
❖反型区
G
Co 沟道 Cdep
Vss
G ++++++
沟道 耗尽层 P型衬底
Vss
（a）物理结构
tox d
Cgb Co 积累区
耗尽区
1.0
反型区
（b）电容与Vgs的函数关系 0.2
0
Vgs
三、集成电感
在集成电路开始出现以后很长一段时间内， 人们一直认为电感是不能集成在芯片上的。因 为那时集成电路工作的最高频率在兆赫量级， 芯片上金属线的电感效应非常小。现在的情况 就不同了，首先，近二十年来集成电路的速度 越来越高，射频集成电路（RFIC）已经有了很 大的发展，芯片上金属结构的电感效应变得越 来越明显。芯片电感的实现成为可能。
在设计电路的时候需要非常准确地 预测出电路的性能。为了做到这一点， 需要对电路尽可能地进行精确的性能分 析（Analysis）。因为集成电路元器件 无法用实物构建，必须首先建立器件模 型，然后对用这些元器件模型所设计的 集成电路进行以分析计算为基础的电路 仿真（Simulation）。
在集成电路的晶体管级仿真方面， SPICE是主要的电路仿真程序，并已成为 工业标准。因此，集成电路设计工程师， 特别是模拟和数字混合信号集成电路设计 工程师必须掌握SPICE的应用。
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
SPICE仿真和模型简介
SPICE仿真和模型简介SPICE 仿真和模型简介1、SPICE仿真程序电路系统的设计人员有时需要对系统中的部分电路作电压与电流关系的详细分析，此时需要做晶体管级仿真（电路级），这种仿真算法中所使用的电路模型都是最基本的元件和单管。
仿真时按时间关系对每一个节点的I/V关系进行计算。
这种仿真方法在所有仿真手段中是最精确的，但也是最耗费时间的。
SPICE（Simulation program with integrated circuit emphasis）是最为普遍的电路级模拟程序，各软件厂家提供提供了Vspice、Hspice、Pspice等不同版本spice软件，其仿真核心大同小异，都是采用了由美国加州Berkeley大学开发的spice模拟算法。
SPICE可对电路进行非线性直流分析、非线性瞬态分析和线性交流分析。
被分析的电路中的元件可包括电阻、电容、电感、互感、独立电压源、独立电流源、各种线性受控源、传输线以及有源半导体器件。
SPICE内建半导体器件模型，用户只需选定模型级别并给出合适的参数。
2、元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。
二微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。
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。
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图6.5 (a)叉指结构电容 (b)MIM 结构电容
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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
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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
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微带线设计需要的电参数主要是阻抗、衰减、 无载QDS
VGS V
VGS I DS
VGS V
t 1 L 1 ox g m n ox W (V VTN )
8
(2) VGS保持不变的饱和区有源电阻
IDS I
o
Ron 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
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
1
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 ；
2 Z 0 2 Z 0 ' ' ' L tanh l tan l Z 0 2 l / c0
l ' / 4
短路负载：
Z (l ) jZ 0tgl
开路负载：
z jz0ctgl
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双端口电感与键合线电感
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。
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2. 微带线
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。
直流电阻 Ron<交流电阻 rds
9
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。
I D + V S I IDS O G I S + V D VGS V VTP
G
O (b) PMOS
I IDS
VTN V (a) NMOS
VGS
图6.2
Ron
栅漏短接的MOS有源电阻及其I-V曲线
VGS
2t V L V ox I n ox W (V VTN )2
直流电阻 Ron>交流电阻 rds
a，w 取微米单位 单匝线圈版图
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多匝螺旋形线圈电感值计算公式为：
(ro ri ) 2 N 2 L[ pH ] 25.4(60ro 28ri )
式中：ri=螺旋的内半径，微米， r0=螺旋的外半径，微米， N=匝数。
16
电感
电感精度：电感模型
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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。
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总结： 有源电阻的几种形式
D VB S (a) (b) S (c) S (d) D D VB D (e) D S S
( 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
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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 (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；
2
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/□;
3
图6.2 简单并联寄生电容 单位长度电容计算经验公式：
0.25 0.5 w w w C 0.77 1.06 1.06 h h h
4
图6.3 复杂互连线的寄生电容
5
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）
6
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
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4. 有源电阻 (1) 栅、漏短接并工作在饱和区的MOS有源电阻