集成电路设计基础Ch07电路CAD.ppt

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1、集成电路设计基础王志功东南大学无线电系2004年1第7章采用SPICE的集成电路模拟7.1集成电路计算机辅助电路模拟程序SPICE7.2采用SPICE的电路设计流程7.3电路元件的SPICE输入语句格式7.4电路特性分析指令与控制语句7.5SPICE电路输入文件举例7.6SPICE格式的电路图编辑7.7SPICE应用经验27.1集成电路计算机辅助电路模拟程序SPICESPICE已经被广泛的接受为集成电路模拟的标准软件。Cadence公司的Spectro，MentorGraphics公司的Eldo和Agilent公司的ADS等，其核心程序都包括SPICE的功能37.2采用

2、SPICE的电路设计流程图7.147.3电路元件的SPICE输入语句格式7.3.1标题、结束和注释语句7.3.2基本元件语句电阻R电容C和电感L互感M无耗传输线线性电压控制电流/电压源线性电流控制电流/电压源独立电源PULSESINEXPPWLSFFM57.3.3半导体器件器件常常用一套器件模型参数来进行定义。因此，需要用一条独立的.MODEL语句来定义一套器件模型参数,并指定一个专用的模型名。然后，SPICE中的器件描述语句就可以引用这个模型名。二极管D双极结型晶体管BJT结型场效应管JFET与MESFETMOSFETMESFET67.3.4模型语句模型语句的通用格

3、式为：.MODELMNAMETYPE(PNAME1=PVAL1,PNAME2=PVAL2,…)例句:.MODELMODE1NPNBF=50,IS=1E-13,VBF=507二极管模型双极结型晶体管BJT模型结型场效应JFET(NJF/PJF)模型MESFET(NMF/PMF)模型（SPICE3.X）MOSFET模型8SPICE集成电路分析程序与MOSFET模型HSpice中常用的几种MOSFET模型Level=1Shichman-HodgesLevel=2基于几何图形的分析模型Grove-FrohmanModel(SPICE2G)Level=3半经验短沟道模型(SPIC

4、E2G)Level=49BSIM3V3BSIM,3rd,Version3Level=50PhilipsMOS99MOSFET一级模型(Level=1)描述I和V的平方率特性,它考虑了衬底调制效应和沟道长度调制效应.非饱和区饱和区KP=µCox本征跨导参数Cox=ox/Tox单位面积的栅氧化层电容LO有效沟道长度,L版图栅长,LD沟道横向扩散长度10MOSFET一级模型(Level=1)(续)MOSFET的阈值电压Vto本质上由栅级上的电荷,绝缘层中的电荷和沟道区电荷之间的平衡决定的,表达式为:VTO是Vbs=0时的阈值电压Vbs是衬底到源区的偏压为体效

5、应阈值系数,它反映了Vto随衬-源偏置Vbs的变化,表达式为:11MOSFET一级模型(Level=1)(续)NSUB为衬底(阱)掺杂浓度,它也决定了体内费米势F当半导体表面的费米势等于F时,半导体表面处于强反型,此时表面势PHI=2Fn型反型层PHI>0,p型反型层PHI<0VFB称之为平带电压,它是使半导体表面能带和体内能带拉平而需在栅级上所加的电压.MS为栅金属与半导体硅的功函数之差除以电子电荷.其数值与硅的掺杂类型,浓度以及栅金属材料有关.VFB=MSQSS/COX12MOSFET一级模型(Level=1)(续)栅材料由模型参数TPG决定.栅氧化层与

6、硅半导体的表面电荷密度QSS=qNSSNSS为表面态密度,其模型参数为NSS.N沟道硅栅增强型MOSFET:VFB-1.2V,PHI0.6VN沟道硅栅耗尽型MOSFET:VFB-0.60.8V模型参数LAMBDA()为沟道长度调制系数.其物理意义为MOSFET进入饱和区后单位漏-源电压引起的沟道长度的相对变化率.13MOSFET一级模型直流特性涉及的模型参数VTOVTO衬底零偏置时源阈值电压KP本征跨导参数GAMMA体效应阈值系数PHI2F强反型使的表面势垒高度LAMBDA沟道长度调制系数UOµo/µn表面迁移率L沟道长度LD沟道长度方向上横向扩散长度W

7、沟道宽度TOXTOX栅氧化层厚度TPG栅材料类型NSUBNSUB衬底(阱)掺杂浓度NSSNSS表面态密度.14VTO,KP,GAMMA,PHI,LAMBDA是器件参数.TOX,TPG,NSUB,NSS是工艺参数.若用户仅给出了工艺参数,SPICE会计算出相应的器件参数.MOSFET一级模型直流特性涉及的模型参数IS:衬底结饱和电流(省缺值为0)JS衬底结饱和电流密度N:衬底PN结发射系数AS:源区面积PS:源区周长AD:漏区面积PD:漏区周长JSSW:衬底PN结侧壁单位长度的电流15上列8个参数用于计算1)衬底电流2)衬-源PN结漏电流3