《集成电路设计基础》PPT课件

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1、《集成电路设计基础》山东大学信息学院刘志军上次课内容第6章集成无源器件及SPICE模型§6.1引言§6.2薄层集成电阻器§6.3有源电阻§6.4集成电容器§6.5电感§6.6互连线§6.7传输线7/24/20212〈集成电路设计基础〉第7章晶体管的SPICE模型§7.1引言§7.2二极管及其SPICE模型§7.3双极型晶体管及其SPICE模型§7.4MOS场效应管及其SPICE模型§7.5短沟道MOS场效应管BSIM3模型§7.6模型参数提取技术7/24/20213〈集成电路设计基础〉§7.1引言上一章主要介绍无源元件R、L、C的模型。集成电路主要是由晶体管组成的，本章主要介绍晶体管等效

2、电路模型。7/24/20214〈集成电路设计基础〉半导体器件模型半导体器件模型有：器件的物理模型器件的等效电路模型7/24/20215〈集成电路设计基础〉半导体器件物理模型半导体器件物理模型是从半导体基本方程出发，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。7/24/20216〈集成电路设计基础〉半导体器件等效电路模型半导体器件等效电路模型在特定的工作条件下，把器件的物理模型用一组理想元件代替，用这些理想元件的支路方程表示器件的物理模型。半导体器件在不同的工作条件下将有不同的等效电路模型。例如直流模型、交流小信号模型、交流大信号模型、瞬态模型等是各不相同的。7/24/2

3、0217〈集成电路设计基础〉§7.2二极管及其SPICE模型二极管等效电路模型端电压V与结电压VD的关系是：其中高频下：势垒电容Cj：扩散电容Cd：7/24/20218〈集成电路设计基础〉二极管在反向偏压很大时会发生击穿。专门设计在击穿状态下工作的二极管称为齐纳二极管。但二极管的电流电压方程没有预示这种击穿，实际电路设计中需借助SPICE等模拟工具来大致确定击穿电压值。参数名公式中符号SPICE中符号单位SPICE中默认值饱和电流ISISA1.0E-14发射系数nN-1串联体电阻RSRSΩ0渡越时间τTTTSec0零偏势垒电容Cj0CJ0F0梯度因子mM-0.5PN结内建势垒V0VJV1

4、二极管模型参数对照表7/24/20219〈集成电路设计基础〉器件的电子噪声所谓电子噪声是指电子线路中某些元器件产生随机起伏的电信号。这些信号一般是与电子（或其它载流子）的电扰动相联系的。一般包括：热噪声（白噪声）和半导体噪声。半导体噪声包括散弹噪声、分配噪声、闪烁噪声（1/f噪声）和场效应管噪声。7/24/202110〈集成电路设计基础〉二极管的噪声模型热噪声：闪烁（1/f）噪声和散粒噪声：KF和AF是噪声系数7/24/202111〈集成电路设计基础〉§7.3双极型晶体管及其SPICE模型双极型晶体管模型：（1）Ebers-Moll（即EM）模型——Ebers和Moll于1954年提出（

5、2）Gummel-Poon（即GP）模型——Gummel和Poon于1970年提出7/24/202112〈集成电路设计基础〉EM电流方程：EM直流模型：晶体管KVL和KCL方程：这四个独立的方程描述了双极型晶体管的特性。7/24/202113〈集成电路设计基础〉虽然NPN晶体管常被设想为在两个N沟层之间夹着一个P型区的对称型三层结构。但与MOS器件不同的是：集电区与发射区这两个电极不能互换。注意：7/24/202114〈集成电路设计基础〉改进的EM模型改进的EM模型用了电荷控制观点，模型中增加了电容Cbe、Cbc并进一步考虑了集成电路中集电结对衬底的电容Cjs。增加了发射极、基极和集电极

6、串联电阻，模型对晶体管直流特性的描述更精确，使饱和区及小信号下的直流特性更符合实际。电容及电阻引入也使交流和瞬态特性的表征更为完善。7/24/202115〈集成电路设计基础〉EM小信号等效电路gmF：正向区跨导rπ：输入电阻r0：输出电阻gmR：反向区跨导rµ：集电极-基极电阻Cµ：基极-集电极电容CCS：集电极-衬底电容Cπ：发-基极等效电容7/24/202116〈集成电路设计基础〉双极型晶体管的GP模型GP模型对EM2模型作了以下几方面的改进：（1）直流特性反映了基区宽度调制效应，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。（2）交流特性考虑了正

7、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。（3）考虑了大注入效应，改善了高电平下的伏安特性（4）考虑了模型参数和温度的关系（5）根据横向和纵向双极晶体管的不同，考虑了外延层电荷存储引起的准饱和效应。7/24/202117〈集成电路设计基础〉GP直流模型GP小信号模型7/24/202118〈集成电路设计基础〉§7.4MOS场效应晶体管及其SPICE模型MOS管的结构尺寸