第6章 集成电路器件和spice 模型

《第6章 集成电路器件和spice 模型》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、集成电路设计主讲教师曾凡太E-mail:zftforcanada@hotmail.com2011年第6章集成电路器件及SPICE模型SPICE模型SPICE（Simulationprogramwithintegratedcircuitemphasis）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模型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

2、密切的关系。SPICE模型是这种模型中应用最广泛的一种。其优点是精度较高，特别是随着建模手段的发展和半导体工艺的进步和规范，人们已可以在多种级别上提供这种模型，满足不同的精度需要。缺点是模型复杂，计算时间长。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6.5MESFET模型6.6MOS管电流方程及SPICE模型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6.1.1互连线互连线设计应该注意以下方面：大多数连线尽量短最小宽度保留足够的电流裕

3、量多层金属趋肤效应和寄生参数（微波和毫米波）寄生效应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3.互连线的传导电阻4.有源电阻图(a)单线和U-型电阻结构(b)它们的等效电路阻值计算最小宽度图6.2栅漏短接的MOS有源电阻及其I-V曲线Ron直流电阻Ron>交流电阻rds1.栅、漏短接并工作在饱和区的MOS有源电阻图6.3饱和区的NMOS有源电阻示意图直流电阻Ron<交流电阻rds条件：VGS保持不变2.VGS保持不变的饱和区有源电阻对于理想情况，Oˊ点的交流电阻应为无穷大，实际上因为沟

4、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。总结：有源电阻的几种形式(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rds6.1.3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

5、；图6.5(a)叉指结构电容和(b)MIM结构电容电容平板电容公式高频等效模型自谐振频率f0品质因数Q=f0/(f2-f1)f

6、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。微带线(a)(b)图典型微带线的剖面图(a)和覆盖钝化膜的微带线(b)TEM波传输线的条件GaAs衬底的厚度<200umTEM波指电矢量于磁矢量都与传播方向垂直的电磁波。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。w/h<1w/

7、h>1共面波导(CPW)(a)(b)图常规共面波导(a)与双线共面波导(b)CPW传输TEM波的条件CPW的阻抗计算由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CPW的衰减计算相对于微带线，CPW的优点是：1）工艺简单，费用低，因为所有接地线均在上表面而不需接触孔。2）在相邻的CPW之间有更好的屏蔽，因此有更高的集成度和更小的芯片尺寸。3）比金属孔有更低的接地电感。4）低的阻抗和速度色散。CPW的缺点是：1）衰减相对高一些，在50GHz时，CPW的衰减是0.5dB/mm;2）由于厚的介质层，导热能力差，不利于大功率放大器的实现。6.1无源

8、器件结构及模型6.2二极管电流方程及SPICE模型6