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二极管及其SPICE模型 PN结是微电子器件的基本结构之一，集成电路和半导体器件的大多数特性都是PN结相互作用的结果。如果通过某种方法使半导体中一部分区域为P型，另一部分区域为N型，则在其交界面就形成了PN结。 一般的二极管就是由一个PN结构成的，以PN结构成的二极管的最基本的电学行为是具有单向导电性，这在实际中有非常大的用处。 二极管的电路模型 二极管的噪声模型 双极型晶体管及其SPICE模型 Ebers-Moll（即EM）模型和Gummel-Poon（即GP）模型是SPICE中的最常用的双极型晶体管模型。这两种模型均属于物理模型，其模型参数能较好地反映物理本质并且易于测量，便于理解和使用。 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。 二、双极型晶体管的GP模型 GP模型在以下几方面对EM2模型作了改进： 1）GP直流模型反映了集电结上电压的变化引起有效基区宽度变化的基区宽度调制效应，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）GP小信号模型考虑了正向渡越时间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。 MOS场效应晶体管及其SPICE模型 MOS场效应晶体管是是现代集成电路中最常用的器件。MOS管的结构尺寸不断缩小已经到了深亚微米甚至纳米范围，多维的物理效应和寄生效应使得对MOS管的模型描述带来了困难。显然模型越复杂，模型参数越多，其模拟的精度越高，但高精度与模拟的效率发生矛盾。 一、MOS场效应晶体管模型发展 理想情况下，要找到一个精确描述器件在所有情况下行为的模型也许并不难。 现实中，如果一个模型预测得到的性能与实际测量得到的性能之间的误差保持在百分之几之内就已经令人满意了。 Hspice为使用者提供了43种MOS管模型以供选择，SmartSpice公开支持的MOS管模型也有十多种。 SPICE中将MOS场效应管模型分成不同级别，并用变量LEVEL来指定所用的模型。 二、MOS1模型 MOS1模型包括了漏区和源区的串联电阻rD和rS，两个衬底PN结和结电容CBS、CBD，反映电荷存储效应的三个非线性电容CGB、CGS和CGD以及受控电流源IDS。 三、短沟道MOS管的BSIM SPICE模型 BSIM3是基于准二维分析的物理模型，着重探讨和解决涉及器件工作的物理机制，并考虑了器件尺寸和工艺参数的影响，力求使每个模型参数与器件特性的关系可以预测。BSIM3大约有120个参数，每一个都有其物理意义。在整个工作区域内，漏电流及其一阶导数都是连续的，这对解决电路仿真中的收敛问题很有帮助。在Hspice或SmartSpice仿真软件中，BSIM3模型的V3.1版本对应于Level 49，模型中考虑的主要效应包括以下几个方面。 模型参数提取技术 实际电路分析中用到的一般都是元件的等效电路模型。由于集成电路元件主要是由半导体器件组成的，因此，这些等效电路模型又都是以物理模型为基础的。 1）物理模型 半导体器件的物理模型是从半导体的基本方程出发，并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。一般说来，随着集成电路集成度的提高，器件的结构、尺寸都在发生变化，器件的物理模型就越加复杂。在物理模型中经常包含有一些经验因子，目的是为了使模型与实验结果符合得更好。一般说，模型中考虑的因素越多，与实际结果就符合得越好，但模型也就越复杂，在电路模拟中耗费的计算工作量就越大。 一、模型参数提取方法 模型参数的确定大致分三类。 第一类是用仪器直接测量。这种方法物理概念明确，某些参数测量的精度较高，但所需的仪器较多，工作量比较大。 第二类是从工艺参数获得模型参数。该方法的缺点是模型参数误差较大。 第三类是模型参数的计算机优化提取。 二、参数提取的基本原理 参数提取的任务是要从一组器件测量特性中得到与器件模型相对应的一套模型参数值。其办法是先给出一组模型参数初始值，代入器件模型公式得到一组模拟结果；然后比较模拟结果与测量特性，如两者不一致，就修改参数值，直到模拟结果能与测量特性很好地拟合。由于器件特性是非线性的，因而参数提取是一个非线性拟合问题，也是一个不断迭代改进约优化