1、集成電路器件模型第1頁，共40頁，2022年，5月20日，1點32分，星期四第三章 集成電路器件模型41235二極管模型雙極型晶體管模型MOS晶體管模型JFET模型、 MESFET模型無源器件模型6噪聲模型第2頁，共40頁，2022年，5月20日，1點32分，星期四2器件模型電路中的有源器件用模型描述該器件的特性。器件模型是根據器件的端電壓和端電流的關系，利用數學方程、等效電路以及工藝數據擬合等方法來描述器件的功能和性能，是集成電路設計中對器件功能和性能進行模擬驗證的重要依據。電路模擬結果是否符合實際情況，主要取決于器件模型是否正確，特別是采用的模型參數是否真正代表實際器件的特性。不同的電路模

2、擬軟件中采用的模型不完全相同，模型參數的名稱和個數也不盡相同。第3頁，共40頁，2022年，5月20日，1點32分，星期四3器件模型越精確，電路模擬效果越好，但是計算量也越大，因此應折衷考慮。對同一種器件，往往提出幾種模型。學習中應該掌握模型參數的含義，特別應注意每個模型參數的作用特點，即在不同的電路特性分析中必需考慮哪些模型參數。每個模型參數均有內定值。除了描述基本直流模型的幾個參數外，其他模型參數如果采用內定值，相當于不考慮相應的效應。如果采用模擬軟件附帶的模型參數庫，當然不存在任何問題。如果采用模型參數庫中未包括的器件，如何比較精確地確定該器件的模型參數將是影響電路模擬結果的關鍵問題。第

3、4頁，共40頁，2022年，5月20日，1點32分，星期四4一、二極管模型集成電路和半導體器件的各類特性都是PN結相互作用的結果，它是微電子器件的基礎。通過某種方法使半導體中一部分區域為P型，另一部分區域為N型，則在其交界面就形成了PN結。以PN結構成的二極管最基本的電學行為是具有單向導電性。第5頁，共40頁，2022年，5月20日，1點32分，星期四5Cj和Cd分別代表PN結的勢壘電容和擴散電容。 RS代表從外電極到結的路徑上通常是半導體材料的電阻，稱之為體電阻。 二極管等效電路模型 第6頁，共40頁，2022年，5月20日，1點32分，星期四6二極管模型參數參數名符號Spice名單位缺省值

4、飽和電流ISISA1.010-14發射系數nN-1串聯體電阻RSRS0渡越時間DTTs0零偏勢壘電容Cj0CJ0F0梯度因子mM-0.5PN結內建勢壘V0VJV1第7頁，共40頁，2022年，5月20日，1點32分，星期四7二、雙極晶體管模型 SPICE中的雙極型晶體管常用兩種物理模型，兩種模型參數能較好地反映物理本質且易于測量。EM （Ebers-Moll）模型：1954年由和提出。GP （ Gummel-Poon）模型： 1970年由HKGummel和HCPoon提出。第8頁，共40頁，2022年，5月20日，1點32分，星期四8雙極型晶體管EM模型第9頁，共40頁，2022年，5月20日

5、，1點32分，星期四9EM模型 將電流增益作為頻率的函數來處理，對計算晶體管存貯效應和瞬態特性不方便。改進的EM模型采用電荷控制觀點，增加電容到模型中。進一步考慮到發射極、基極和集電極串聯電阻，以及集成電路中集電結對襯底的電容，于是得到EM2模型。NPNEM直流模型第10頁，共40頁，2022年，5月20日，1點32分，星期四10EM2模型 EM大信號模型第11頁，共40頁，2022年，5月20日，1點32分，星期四11EM小信號等效電路 基區寬度調制效應參數歐拉電壓第12頁，共40頁，2022年，5月20日，1點32分，星期四12雙極型體管GP模型第13頁，共40頁，2022年，5月20日，

6、1點32分，星期四13與EM模型相比，GP模型增加以下幾個物理效應： 小電流時值下降大注入效應，改善了高電平下的伏安特性基區寬度調制效應：改善了輸出電導、電流增益和特征頻率，反映了共射極電流放大倍數隨電流和電壓的變化發射系數的影響基極電阻隨電流變化正向渡越時間F隨集電極電流IC的變化，解決了在大注入條件下由于基區展寬效應使特征頻率fT和IC成反比的特性。模型參數和溫度的關系。根據橫向和縱向雙極晶體管的不同，外延層電荷存儲引起的準飽和效應。雙極型晶體管GP模型第14頁，共40頁，2022年，5月20日，1點32分，星期四14GP直流模型 第15頁，共40頁，2022年，5月20日，1點32分，星

7、期四15GP大信號模型GP大信號模型與EM大信號模型類似，引入修正內容：集電結電容分布特性：劃分為兩個電容渡越時間隨偏置的變化：大電流時F不再是常數基區中的分布現象第16頁，共40頁，2022年，5月20日，1點32分，星期四16GP小信號模型與EM小信號模型十分一致，只是參數的值不同。GP小信號模型第17頁，共40頁，2022年，5月20日，1點32分，星期四17雙極型晶體管SPICE模型參數參數名公式中符號SPICE中符號單位SPICE默認值飽和電流ISISA1016理想最大正向電流增益FBF100理想最大反向電流增益RBR1正向厄利（歐拉）電壓VAFVAFV反向厄利（歐拉）電壓VARVA

8、RV基極-發射極結梯度因子mEMJE0.33基極-集電極結梯度因子mCMJC0.33襯底結指數因子msMJS0.0基極-發射極內建電勢VE0VJEV0.75基極-集電極內建電勢V C0VJCV0.75襯底結內建電勢V S0VJSV0.75第18頁，共40頁，2022年，5月20日，1點32分，星期四18三、MOSFET模型常用的幾種MOSFET模型Level=1Shichman-Hodges Level=2基于幾何圖形的分析模型 Grove-Frohman Model (SPICE 2G)Level=3半經驗短溝道模型 (SPICE 2G)Level=49 BSIM3V3BSIM, 3rd,

9、Version 3Level=50 Philips MOS9第19頁，共40頁，2022年，5月20日，1點32分，星期四19MOSFET一級模型又稱MOS1模型，這是最簡單的模型，適用于手工計算。當MOS器件的柵長和柵寬大于10m、襯底摻雜低，而我們又需要一個簡單的模型時，那么由Shichman和Hodges提出的MOS1模型是適合的。第20頁，共40頁，2022年，5月20日，1點32分，星期四20MOSFET一級模型(Level=1)MOS1模型包括了漏區和源區的串聯電阻rD和rS，兩個襯底PN結和結電容CBS、CBD，反映電荷存儲效應的三個非線性電容CGB、CGS和CGD以及受控電流源

10、IDS。 第21頁，共40頁，2022年，5月20日，1點32分，星期四21MOSFET一級模型(Level=1)描述I和V的平方率特性, 它考慮了襯底調制效應和溝道長度調制效應:KP=Cox本征跨導參數Cox =ox/Tox單位面積的柵氧化層電容LO有效溝道長度, L版圖柵長, LD溝道橫向擴散長度非飽和區飽和區MOSFET電流方程模型第22頁，共40頁，2022年，5月20日，1點32分，星期四22MOSFET一級模型(Level=1)（續）MOSFET的閾值電壓Vth本質上由柵級上的電荷, 絕緣層中的電荷和溝道區電荷之間的平衡決定VTO： Vbs=0時的閾值電壓Vbs：襯底到源區的偏壓：

11、體效應閾值系數，反映了Vth隨襯-源偏置 Vbs的變化。第23頁，共40頁，2022年，5月20日，1點32分，星期四23VFB = MS QSS/COXNSUB為襯底(阱)摻雜濃度, 它也決定了體內費米勢F當半導體表面的費米勢等于F時，半導體表面處于強反型, 此時表面勢 PHI=2Fn型反型層 PHI0, p型反型層 PHI0VFB稱之為平帶電壓, 它是使半導體表面能帶和體內能帶拉平而需在 柵級上所加的電壓.MS為柵金屬與半導體硅的功函數之差除以電子電荷. 其數值與硅的摻雜類型, 濃度以及柵金屬材料有關.第24頁，共40頁，2022年，5月20日，1點32分，星期四24MOSFET一級模型(

12、Level=1)(續)柵材料類型由模型參數TPG決定.柵氧化層與硅半導體的表面電荷密度QSS=qNSSNSS為表面態密度, 其模型參數為NSS.N溝道硅柵增強型MOSFET: VFB -1.2V, PHI0.6VN溝道硅柵耗盡型MOSFET: VFB -0.60.8V模型參數LAMBDA()為溝道長度調制系數. 其物理意義為MOSFET進入飽和區后單位漏-源電壓引起的溝道長度的相對變化率.第25頁，共40頁，2022年，5月20日，1點32分，星期四25MOSFET一級模型直流特性涉及的模型參數參數符號SPICE名說明VTOVTO襯底零偏置時源閾值電壓KPKP本征跨導參數GAMMA體效應閾值系

13、數2FPHI強反型時的表面勢壘高度LAMBDA溝道長度調制系數o/nUO表面遷移率L溝道長度LDLD溝道長度方向上橫向擴散長度W溝道寬度 TOXTOX柵氧化層厚度TPG柵材料類型NSUBNSUB襯底(阱)摻雜濃度NSSNSS表面態密度第26頁，共40頁，2022年，5月20日，1點32分，星期四26VTO, KP, GAMMA, PHI, LAMBDA是 器件參數.TOX, TPG, NSUB, NSS是工藝參數.若用戶僅給出了工藝參數, SPICE會計算出相應的器件參數.IS:襯底結飽和電流(省缺值為0)JS襯底結飽和電流密度N:襯底PN結發射系數AS:源區面積PS:源區周長AD:漏區面積P

14、D:漏區周長JSSW:襯底PN結側壁單位長度的電流MOSFET一級模型直流特性涉及的模型參數第27頁，共40頁，2022年，5月20日，1點32分，星期四27Iss= ASJS + PSJSSWIds= ADJS + PDJSSWIb=Ibs + Ibd上列8個參數用于計算1) 襯底電流2) 襯-源PN結漏電流3) 襯-漏PN結漏電流其中,MOSFET一級模型直流特性涉及的模型參數第28頁，共40頁，2022年，5月20日，1點32分，星期四28MOSFET二級模型又稱MOS2模型，LEVEL2的MOS2模型在MOS1模型基礎上考慮了一些二階效應，提出了短溝道或窄溝道MOS管的模型，又被稱為二

15、維解析模型。 第29頁，共40頁，2022年，5月20日，1點32分，星期四29MOSFET二級模型 MOS2模型考慮的二階效應主要包括：（1）溝道長度對閾值電壓的影響（2）漏柵靜電反饋效應對閾值電壓的影響（3）溝道寬度對閾值電壓的影響（4）遷移率隨表面電場的變化（5）溝道夾斷引起的溝道長度調制效應（6）載流子漂移速度限制而引起的電流飽和效應第30頁，共40頁，2022年，5月20日，1點32分，星期四30MOSFET三級模型又稱MOS3模型，MOS3模型是一個半經驗模型，適用于短溝道器件。第31頁，共40頁，2022年，5月20日，1點32分，星期四31精確描述各種二級效應, 又節省計算時間

16、。計算公式中考慮了漏源電源引起的表面勢壘降低而使閾值電 壓下降的靜電反饋效應.短溝道效應和窄溝道效應對閾值電壓的影響.載流子極限漂移速度引起的溝道電流飽和效應表面電場對載流子遷移率的影響.沿溝道方向(Y方向)的閾值電壓半經驗公式:MOSFET三級模型半經驗短溝道模型(Level=3)第32頁，共40頁，2022年，5月20日，1點32分，星期四32半經驗短溝道模型(Level=3)(續)靜電反饋系數 ETA是模擬靜電反饋效應的經驗模型參數.載流子s隨VGS而變化 THETA稱之為遷移率調制系數, 是模型參數.溝道長度調制減小量L的 半經驗公式為: k稱之為飽和電場系數, 模型參數為KAPPA.

17、 與MOS2模型相比， MOS3模型引入三個新的模型參數為:ETA, THETA, KAPPA。除此之外, MESFET三級模型中的閾值電壓, 飽和電壓, 溝道調制效應和漏源電流表達式等都是半經驗表達式.第33頁，共40頁，2022年，5月20日，1點32分，星期四33MOSFET49級模型(Level=49, BSIM3V3 Berkeley short-channel IGFET model )1995年10月31日由加州柏克萊分校推出，基于物理的深亞微米MOSFET模型，可用于模擬和數字電路模擬。(1)閾值電壓下降,(2)非均勻摻雜效應,(3)垂直電場引起的遷移率下降,(4)載流子極限漂

18、移速度引起的 溝道電流飽和效應(5)溝道長度調制(6)漏源電源引起的表面勢壘降低而使閾值電壓下降的靜電反饋效應.(7)襯底電流引起的體效應(8)亞閾值導通效應(9)寄生電阻效應第34頁，共40頁，2022年，5月20日，1點32分，星期四34MOSFET49級模型(Level=49, BSIM3V3) 共有166(174)個參數!67個DC 參數13個AC 和電容參數2個NQS模型參數10個溫度參數11個W和L參數4個邊界參數4個工藝參數8個噪聲模型參數47二極管, 耗盡層電容和電阻參數8個平滑函數參數(在3.0版本中)第35頁，共40頁，2022年，5月20日，1點32分，星期四35飛利浦M

19、OSFET模型(Level=50)共有72個模型參數.最適合于對模擬電路進行模擬.第36頁，共40頁，2022年，5月20日，1點32分，星期四36不同MOSFET模型應用場合Level 1 簡單MOSFET模型，適用于長溝道器件Level 2 2m 器件模擬分析Level 3 0.9m 器件數字分析BSIM 10.8m 器件數字分析BSIM 20.3m 器件模擬與數字分析BSIM 30.5m 器件模擬分析與0.1m 器件數字分析Level=6 亞微米離子注入器件Level=50小尺寸器件模擬電路分析 Level=11SOI（絕緣層上硅）器件 對電路設計者來說, 采用什么模型參數在很大程度上還

20、取決于能從相應的工藝制造單位得到何種模型參數.第37頁，共40頁，2022年，5月20日，1點32分，星期四37例.MODEL CMOSN NMOS ( LEVEL= 49+VERSION= 3.1TNOM= 27TOX= 7.6E-9+XJ= 1E-7NCH= 2.3579E17VTH0= 0.5085347+K1= 0.5435268K2= 0.0166934K3= 2.745303E-3+K3B= 0.6056312W0= 1E-7 NLX= 2.869371E-7+DVT0W= 0DVT1W= 0DVT2W= 0+DVT0= 1.7544494DVT1= 0.4703288DVT2=0

21、.0394498+U0= 489.0696189UA= 5.339423E-10UB=1.548022E-18+UC= 5.795283E-11VSAT= 1.191395E5A0= 0.8842702+AGS= 0.1613116B0= 1.77474E-6B1= 5E-6+KETA= 5.806511E-3A1= 0A2= 1臺積電公司某一批0.35m CMOS工藝NMOS器件的Star-HSpice參數(命名為CMOSN的NMOS模型庫Spice文件)第38頁，共40頁，2022年，5月20日，1點32分，星期四38+RDSW= 1.88264E3PRWG= -0.105799PRWB= -0.0152046+WR= 1WINT= 7.381398E-8LINT= 1.030561E-8+XL= -2E-8XW= 0DWG= -1.493222E-8+DWB= 9.792339E-9VOFF= -0.0951708NFACTOR= 1.2401249+CIT= 0CDSC= 4.922742E-3CDSCD= 0+CDSCB= 0ETA0= 2.005