集成电路器件及SPICE模型

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1、集成电路器件及SPICE模型洪慧hongh@hdu.edu.cn上次课：第六章MOS场效应管的特性§1.MOSFET的结构和工作原理§2.MOSFET的寄生电容§3.MOSFET的其它特性3.1噪声3.2温度3.3体效应§4.MOSFET尺寸按比例缩小§5.MOSFET的二阶效应第七章集成电路器件及SPICE模型§1.无源器件结构及模型§2.二极管电流方程及模型§3.三极管电流方程及模型§4.MOS管电流方程及模型§5.Spice仿真流程及方法引言集成电路可以认为是由元器件组成的。元器件可以分为两大

2、类：△无源器件△有源器件■无源元件包括电阻、电容、电感、互连线、传输线等。■有源元件包括二极管、三极管、CMOS管等各类晶体管器件物理模型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。器件等效电路模型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。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。§7.1无源器件结构

3、及模型互连线电阻电容电感分布参数元件互连线互连线是各种分立和集成电路的基本元件。互连线的版图设计是集成电路设计中的基本任务，在专门门阵列设计电路中甚至是唯一的任务。互连线设计中应注意的事项对于各种互连线设计，应该注意以下方面：为减少信号或电源引起的损耗及减少芯片面积，连线尽量短。为提高集成度，在传输电流非常微弱时(如MOS栅极)，大多数互连线应以制造工艺提供的最小宽度来布线。互连线设计中应注意的事项在连接线传输大电流时，应估计其电流容量并保留足够裕量。制造工艺提供的多层金属能有效地提高集成度。在微波

4、和毫米波范围，应注意互连线的趋肤效应和寄生参数。某些情况下，可有目的地利用互连线的寄生效应。深亚微米阶段的互连线技术CMOS工艺发展到深亚微米阶段后，互连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。这时应采用链状RC网络、RLC网络或进一步采用传输线来模拟互连线。为了保证模型的精确性和信号的完整性，需要对互连线的版图结构加以约束和进行规整。电阻集成电路中的电阻分为：无源电阻通常是合金材料或采用掺杂半导体制作的电阻有源电阻将晶体管进行适当的连接和偏置，利用晶体管的不同的工作区所表现出来的

5、不同的电阻特性来做电阻。无源电阻合金薄膜电阻多晶硅薄膜电阻采用一些合金材料沉积在二氧化硅或其它介电材料表面，通过光刻形成电阻条。常用的合金材料有：（1）钽（Ta）；（2）镍铬（Ni-Cr）；（3）氧化锌SnO2；（4）铬硅氧CrSiO。掺杂多晶硅薄膜也是一个很好的电阻材料，广泛应用于硅基集成电路的制造。掺杂半导体电阻无源电阻不同掺杂浓度的半导体具有不同的电阻率，利用掺杂半导体的电阻特性，可以制造电路所需的电阻器。根据掺杂方式，可分为：离子注入电阻扩散电阻对半导体进行热扩散掺杂而构成的电阻离子注入方式

6、形成的电阻的阻值容易控制，精度较高。无源电阻的几何图形设计常用的薄层电阻图形无源电阻图形尺寸的计算方块电阻的几何图形＝R□·材料最小值典型值最大值互连金属0.050.070.1顶层金属0.030.040.05多晶硅152030硅-金属氧化物236扩散层1025100硅氧化物扩散2410N阱（或P阱）1k2k5k0.5-1.0mMOS工艺中作为导电层的典型的薄层电阻阻值单位:Ω/口电阻射频等效电路芯片上的薄层电阻的射频双端口等效电路：衬底电位与分布电容：有源电阻有源电阻是指采用晶体管进行适当的连接并

7、使其工作在一定的状态，利用它的直流导通电阻和交流电阻作为电路中的电阻元件使用。双极型晶体管和MOS晶体管可以担当有源电阻。有源电阻MOS有源电阻及其I-V曲线直流电阻：交流电阻：Ron︱VGS=V＝有源电阻有源电阻的几种形式：饱和区的NMOS有源电阻示意图：电容在集成电路中，有多种电容结构：金属-绝缘体-金属(MIM)结构多晶硅/金属-绝缘体-多晶硅结构金属叉指结构利用二极管和三极管的结电容MOS电容MIM电容制作在砷化镓半绝缘衬底上的MIM电容结构：考虑温度系数时，电容的计算式为：MIM电容电容模

8、型等效电路：固有的自频率：金属叉指结构电容MOS结构电容平板电容和PN结电容都不相同，MOS核心部分，即金属-氧化物-半导体层结构的电容具有独特的性质。它的电容-电压特性取决于半导体表面的状态。随着栅极电压的变化，表面可处于：积累区耗尽区反型区MOS结构电容MOS电容(a)物理结构(b)电容与Vgs的函数关系MOS结构电容MOS动态栅极电容与栅极电压的函数关系电感在集成电路开始出现很长一段时间内，人们一直认为电感不能集成到芯片上现在情况不同，集成电路的速度越来越快，芯