无生产线集成电路设计高级研讨班课件 (1).ppt

第6章 集成电路器件及SPICE模型 6.1 无源器件结构及模型 6.1.1 互连线 互连线设计应该注意以下方面： 大多数连线应该尽量短 最小宽度 保留足够的电流裕量 多层金属 趋肤效应和寄生参数（微波和毫米波） 寄生效应 6.1.2 电阻 实现电阻有三种方式： 1.晶体管结构中不同材料层的片式电阻（不准确） 2.专门加工制造的高质量高精度电阻 3.互连线的传导电阻 图 (a)单线和U-型电阻结构 (b)它们的等效电路 对于理想情况，Oˊ点的交流电阻应为无穷大，实际上因为沟道长度调制效应，交流电阻为一个有限值，但远大于在该工作点上的直流电阻。在这个工作区域，当漏源电压变化时，只要器件仍工作在饱和区，它所表现出来的交流电阻几乎不变，直流电阻则将随着漏源电压变大而变大。 6.1.3 电容 在高速集成电路中，有多种实现电容的方法： 1）利用二极管和三极管的结电容； 2）利用图6.5(a)所示的叉指金属结构； 3）利用图6.5(b)所示的金属-绝缘体-金属(MIM)结构； 4）利用类似于图6.5(b)的多晶硅/金属-绝缘体-多晶硅结构； 图6.5 (a)叉指结构电容和(b)MIM 结构电容 电容 平板电容公式 高频等效模型 自谐振频率 f0 品质因数 Q 6.1.4 电感 引言 集总电感 式中：ri=螺旋的内半径，微米， r0=螺旋的外半径，微米， N=匝数。 电感 传输线电感 获得单端口电感的另一种方法是使用长度ll/4λ波长的短电传输线(微带或共面波导)或使用长度在l/4λ ll/2λ范围内的开路传输线。 6.1.5 分布参数元件 集总元件和分布元件 随着工作频率的增加，一些诸如互连线的IC元件的尺寸变得很大，以致它们可以与传输信号的波长相比。这时，集总元件模型就不能有效地描述那些大尺寸元件的性能，应该定义为分布元件。 微带线 TEM波传输线的条件 微带线设计需要的电参数主要是阻抗、衰减、无载Q、波长、迟延常数。 阻抗计算 微带线的衰减α由两部分组成：导线损耗和介质损耗 形成微带线的基本条件是，介质衬底的背面应该完全被低欧姆金属覆盖并接地，从而使行波的电场主要集中在微带线下面的介质中。 共面波导(CPW) CPW传输TEM波的条件 CPW的阻抗计算 由ZL计算CPW的宽度W: 对应于厚衬底 / 薄衬底有效介电常数有变化 CPW的衰减计算 相对于微带线，CPW的优点是： 1）工艺简单，费用低，因为所有接地线均在上表面而不需接触孔。 2）在相邻的CPW之间有更好的屏蔽，因此有更高的集成度和更小的芯片尺寸。 3）比金属孔有更低的接地电感。 4）低的阻抗和速度色散。 CPW的缺点是： 1）衰减相对高一些，在50GHz时，CPW的衰减是0.5dB/mm; 2）由于厚的介质层，导热能力差，不利于大功率放大器的实现。 6.3 双极晶体管电流方程及SPICE模型 图6.10 EM直流模型 由于这种EM模型将电流增益作为频率的函数来处理，对计算晶体管存贮效应和瞬态特性不方便，所以改进的EM模型用了电荷控制观点，即增加电容到模型中。并进一步考虑到发射极、基极和集电极串联电阻，以及集成电路中集电结对衬底的电容，于是得到EM2模型。 图6.11 EM2模型 图6.12 EM小信号等效电路 表6.2 双极型晶体管部分模型参数在SPICE 中的符号名称 GP模型是1970年由H．K．Gummel和H．C．Poon提出的。 GP模型对EM2模型在以下几方面作了改进： 1.直流特性：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.交流特性：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。 图6.14 GP小信号模型 N沟JFET的结构示意图和电路符号 结型场效应 JFET ( NJF/PJF ) 模型 JFET模型源于Shichman和Hodges给出的FET模型。其直流特性由反映漏极电流随栅极电压变化的参数 VTO和BETA、确定输出电导的参数LAMBDA和栅-源结与栅-漏结饱和电流的参数IS共同描述。包含了RD和RS两个欧姆电阻。其电荷存储效应由随结电压的平方根变化的栅-