第五章集成电路设计技术与工具案例.ppt

集成电路设计技术与工具 ;内容提要;5.1 引 言;5.1 引 言;5.1 引 言;5.2 集成无源器件及其SPICE模型 ;一、集成电阻;集成电阻的类型;;集成电阻的类型;5.2.1.2集成电阻的几何图形设计 ;2）几何尺寸设计;5.2.1.3集成电阻的阻值计算 ;表5.1 0.5~1.0?m MOS工艺中 导电层材料的典型方块电阻值 （单位:Ω/口）;不同电阻条宽和端头形状的端头修正因子 ;5.2.1.4电阻温度系数 ;5.2.1.5集成电阻的高频等效电路;集成电阻的高频双端口等效电路;（a）物理结构剖面图 ;;5.2.1.6有源电阻 ; 图5.8栅极加偏置的NMOS有源电阻及其电流-电压曲线 ;;;;5.2.2、集成电容器 ;5.2.2.1平板电容 ;图5.10 制作在砷化镓半绝缘衬底上 的MIM电容结构 ;;;图 5.11电容高频等效模型 ;5.2.2.2金属叉指结构电容 ;5.2.2.3 PN结电容 ; 5.2.2.4 MOS结构电容 ;（a）物理结构 ;5.2.3、集成电感;图5.15 单匝线圈电感版图 ;图5.16 多匝线圈的实物照片 ;5.3 二极管及其SPICE模型;5.3.1 二极管的电路模型 ; 在高频下，PN结的势垒电容Cj和扩散电容Cd 变得很重要。 势垒电容Cj计算表达式为：;参数名;5.3.2 二极管的噪声模型 ;5.4 双极型晶体管及其SPICE模型;一、双极型晶体管的EM模型 ; 尽管NPN（或PNP）晶体管可以设想为在两个N（或P）沟道层之间夹着一个P（或N）型区的对称型三层结构。然而，根据第4章介绍的双极型晶体管版图可知，NPN（或PNP）晶体管的集电区与发射区的形状及掺杂浓度都不一样，从而导致了αR与αF的巨大差别，因此这两个电极不能互换。; 图5.19 EM2模型 ;参数名;5.4.2、双极型晶体管的GP模型 ;SPICE中使用的GP直流模型;SPICE中使用的GP小信号模型;5.5 MOS场效应晶体管及其SPICE模型; 5.5.1、MOS场效应晶体管模型发展 ;1）LEVEL＝1 级别为1的MOS管模型又称MOS1模型，这是最简单的模型，适用于手工计算。MOS1模型是MOS晶体管的一阶模型，描述了MOS管电流?电压的平方率特性，考虑了衬底调制效应和沟道长度调制效应，适用于精度要求不高的长沟道MOS晶体管。 当MOS器件的栅长和栅宽大于10μm、衬底掺杂低，而我们又需要一个简单的模型时，那么由Shichman和Hodges提出的MOS1模型是适合的。 ;2）LEVEL＝2 LEVEL＝2的MOS2模型在MOS1模型基础上考 虑了一些二阶效应，提出了短沟道或窄沟道MOS 管的模型，又被称为二维解析模型。 MOS2模型考虑的二阶效应主要包括： （1）沟道长度对阈值电压的影响 （2）漏栅静电反馈效应对阈值电压的影响 （3）沟道宽度对阈值电压的影响 （4）迁移率随表面电场的变化 （5）沟道夹断引起的沟道长度调制效应 （6）载流子漂移速度限制而引起的电流饱和效应;3）LEVEL＝3 即MOS3模型。MOS3模型是一个半经验模型， 适用于短沟道器件。MOS3模型中的阈值电压、 饱和电流、沟道调制效应和漏源电流表达式等都 是半经验公式，其模型参数大多与MOS2模型相 同，但引入了三个新的模型参数：模拟静电反馈 效应的经验模型参数η（EAT）、迁移率调制系 数θ（THETA）和饱和电场系数κ(KAPPA）。;4）LEVEL＝4 级别为4的MOS4模型又称BSIM（Berkeley short-channel IGFET model）模型。该模型 是由美国伯克利大学1984年专门为短沟道MOS 场效应晶体管而开发的模型，是ATT Bell实验 室简练短沟道IGFET模型的改进型。模型是在 物理基础上建立的，模型参数由工艺文件经模 型参数提取程序自动产生，适用于数字电路和 模拟电路，而且运行时间比二级模型平均缩短 一半左右。现已发表的有BSIM1、BSIM2、 BSIM3和BSIM4等模型。;5.5.2、MOS1模型 ;1）电流方程;2）两个衬底PN结;3）PN结电容;;4）栅电容;工作区;5）串联电阻的影响;5.5.3、短沟道MOS管的BSIM SPICE模型 ;（1）短沟和窄沟对阈值电压的影响； （2）横向和纵向的非均匀掺杂； （3）垂直场引起的载流子迁移率下降 （4）体效应； （5）载流子速度饱和效应； （6）漏感应引起位垒下降； （7）沟道长度调制效应； （8）衬底电流引起的体效应， （9）次开启导电问题； （10）漏／源寄生电阻。 ;5.6 模型参数提取技术; 1）物理模型 半导体器件的物理模型是从半导体的基