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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,2,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7.5 SPICE电路输入文件举例7.6 SPICE格式的电路图编辑7.7 SPICE应用经验,3,7.1 集成电路计算机辅助电路模拟程序SPICE,SPICE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，Mentor Graphics公司的Eldo和Agilent公司的ADS等，其核心程序都包括SPICE的功能
2、,4,7.2 采用SPICE的电路设计流程,图 7.1,5,7.3 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 PULSE SIN EXP PWL SFFM,6,7.3.3 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MESFET MOSFET MESFE
3、T,7,7.3.4 模型语句,模型语句的通用格式为：.MODEL MNAME TYPE(PNAME1=PVAL1,PNAME2=PVAL2,)例句:.MODEL MODE1 NPN BF=50,IS=1E-13,VBF=50,8,二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,9,SPICE集成电路分析程序与MOSFET模型,HSpice中常用的几种MOSFET模型Level=1Shichman-Hodges Level=2基于几何图形的分析模型 Grove-Frohman Model(SPICE
4、 2G)Level=3半经验短沟道模型(SPICE 2G)Level=49BSIM3V3BSIM,3rd,Version 3Level=50Philips MOS9,10,MOSFET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=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,11,MOSFET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
5、电压Vbs是衬底到源区的偏压为体效应阈值系数,它反映了Vto随衬-源偏置 Vbs的变化,表达式为:,12,MOSFET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=2Fn型反型层 PHI0,p型反型层 PHI0VFB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/COX,13,MOSFET一级模型(Level=1)(续),栅材料由模型参数T
6、PG决定.栅氧化层与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,PHI0.6VN沟道硅栅耗尽型MOSFET:VFB-0.60.8V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.,14,MOSFET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PHI 2F强反型使的表面势垒高度LAMBDA 沟道长度调制系数UO o/n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沟道宽度T
7、OX TOX栅氧化层厚度TPG栅材料类型NSUB NSUB衬底(阱)掺杂浓度NSS NSS表面态密度.,15,VTO,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,16,上列8个参数用于计算1)衬底电流2)衬-源PN结漏电流3)衬-漏PN结漏电流其中,MOSFET一级模型
8、直流特性涉及的模型参数,Iss=ASJS+PSJSSWIds=ADJS+PDJSSW,Ib=Ibs+Ibd,17,MOSFET二级模型方程,取消了渐变沟道近似分析法中的一些简化假设。特别是在计算整体耗尽电荷时，考虑到了沟道电压的影响。同时对基本方程进行一系列半经验性的修正,包括表层载流子迁移率随栅极电压的变化,引入了衬底掺杂拟合参数NA，反映载流子速率饱和特性的拟合参数Neff,确定亚阈值电压电流特性曲线的斜率快速表面态匹配参数NFS等。本质上也包括了短、窄沟道效应的相关方程。,18,MOSFET三级模型,半经验短沟道模型(Level=3),精确描述各种二级效应,又节省计算时间.计算公式中考虑
9、了1)漏源电源引起的表面势垒降低而使阈值电 压下降的静电反馈效应.2)短沟道效应和窄沟道效应对阈值电压的影响.3)载流子极限漂移速度引起的沟道电流饱和效应4)表面电场对载流子迁移率的影响.沿沟道方向(Y方向)的阈值电压半经验公式:,19,MOSFET三级模型,半经验短沟道模型(Level=3)(续),静电反馈系数ETA是模拟静电反馈效应的经验模型参数.载流子s随VGS而变化THETA称之为迁移率调制系数,是模型参数.沟道长度调制减小量L的 半经验公式为:k称之为饱和电场系数,模型参数为KAPPA.因此,MESFET三级模型新引入的模型参数为:ETA,THETA,KAPPA除此之外,MESFET
10、三级模型中的阈值电压,饱和电压,沟道调制效应和漏源电流表达式等 都是半经验表达式.,20,MOSFET49级模型(Level=49,BSIM3V3),1995年10月31日由加州柏克莱分校推出.基于物理的深亚微米MOSFET模型.可用于模拟和数字电路模拟.模型考虑了(1)阈值电压下降,(2)非均匀掺杂效应,(3)垂直电场引起的迁移率下降,(4)载流子极限漂移速度引起的 沟道电流饱和效应,(5)沟道长度调制(6)漏源电源引起的表面势垒降低而使阈值电压下降的静电反馈效应.(7)衬底电流引起的体效应(8)亚阈值导通效应(9)寄生电阻效应,21,67个DC 参数13个AC 和电容参数2个NQS模型参数
11、10个温度参数11个W和L参数4个边界参数4个工艺参数8个噪声模型参数47二极管,耗尽层电容和电阻参数8个平滑函数参数(在3.0版本中)共有166(174)个参数!,MOSFET49级模型(Level=49,BSIM3V3),22,飞利浦MOSFET模型(Level=50),共有72个模型参数.最适合于对模拟电路进行模拟.,23,不同MOSFET模型应用场合,Level 1简单MOSFET模型Level 22m 器件模拟分析Level 30.9m 器件数字分析BSIM 10.8m 器件数字分析BSIM 20.3m 器件模拟与数字分析BSIM 30.5m 器件模拟分析与0.1m 器件数字分析Le
12、vel=6 亚微米离子注入器件Level=50小尺寸器件模拟电路分析 Level=11SOI器件对电路设计工程师来说,采用什么模型参数在很大程度上还取决于能从相应的工艺制造单位得到何种模型参数.,24,MOSFET的SPICE元件输入格式,Mxxx nd ng ns mname+Mxxx:MOSFET元件名,必须以M打头.nd,ng,ns,nb为该MOSFET的漏,栅,源和衬底的 节点名.如果nb项省略,模型参数BULK起作用.mname:模型名,必须引用一个MOSFET模型.L:沟道长度,省却值为100W:沟道宽度,省却值为100AD,AS:漏和源扩散结面积,省却值为0PD,PS:漏和源扩散
13、结周长,省却值为0,25,NRD,NRS:计算电阻用的漏和源扩散方块数,省却值为0OFF:DC分析的ON/OFF起始条件,省却值为ON.IC:初始电压条件.TEMP:器件工作温度,单位为C.M:乘积因子,省却值为1.GEO:漏/源几何尺寸分摊数,省却值为0.,MOSFET的SPICE元件输入格式,26,MODEL mname mtype mname:模型名.可被多个器件引用的一个特有模型.mtype:模型类型.或者为NMOS,或者为PMOS.pname1 参数名.每一个参数名有一个对应的值(val).未列出的模型参数将被设定为它们的省却值.,MOSFET的SPICE模型输入格式,27,台积电公
14、司某一批0.35m CMOS工艺NMOS器件的Star-HSpice参数(命名为CMOSN的NMOS模型库Spice文件),.MODEL CMOSN NMOS(LEVEL=49+VERSION=3.1TNOM=27TOX=7.6E-9+XJ=1E-7NCH=2.3579E17VTH0=0.5085347+K1=0.5435268K2=0.0166934K3=2.745303E-3+K3B=0.6056312W0=1E-7NLX=2.869371E-7+DVT0W=0DVT1W=0DVT2W=0+DVT0=1.7544494DVT1=0.4703288DVT2=-0.0394498+U0=489
15、.0696189UA=5.339423E-10UB=1.548022E-18+UC=5.795283E-11VSAT=1.191395E5A0=0.8842702+AGS=0.1613116B0=1.77474E-6B1=5E-6+KETA=5.806511E-3A1=0A2=1,28,台积电公司某一批0.35m CMOS工艺NMOS器件的Star-HSpice参数(命名为CMOSN的NMOS模型库Spice文件)（续）,+RDSW=1.88264E3PRWG=-0.105799PRWB=-0.0152046+WR=1WINT=7.381398E-8LINT=1.030561E-8+XL=-2
16、E-8XW=0DWG=-1.493222E-8+DWB=9.792339E-9VOFF=-0.0951708NFACTOR=1.2401249+CIT=0CDSC=4.922742E-3CDSCD=0+CDSCB=0ETA0=2.005052E-3ETAB=5.106831E-3+DSUB=0.2068625PCLM=1.9418893PDIBLC1=0.2403315+PDIBLC2=5.597608E-3PDIBLCB=-4.18062E-4DROUT=0.5527689+PSCBE1=4.863898E8PSCBE2=1.70429E-5PVAG=1.0433116+DELTA=0.01
17、MOBMOD=1PRT=0+UTE=-1.5KT1=-0.11KT1L=0+KT2=0.022UA1=4.31E-9UB1=-7.61E-18,29,台积电公司某一批0.35m CMOS工艺NMOS器件的Star-HSpice参数(命名为CMOSN的NMOS模型库Spice文件)（续）,+UC1=-5.6E-11AT=3.3E4WL=0+WLN=1WW=-1.22182E-15WWN=1.137+WWL=0LL=0LLN=1+LW=0LWN=1LWL=0+CAPMOD=2XPART=0.4CGDO=1.96E-10+CGSO=1.96E-10CGBO=0CJ=9.384895E-4+PB=0.
18、7644361MJ=0.3394296CJSW=2.885151E-10+PBSW=0.8683237MJSW=0.1808065PVTH0=-0.0101318+PRDSW=-159.9288563PK2=-9.424037E-4WKETA=4.696914E-3+LKETA=-6.965933E-3PAGS=0.0718NQSMOD=1+ELM=5)*END CMOSN,30,7.3.4 子电路描述语句,子电路的定义格式为：.SUBCKT SubName（N1,N2,）.ENDS SubName子电路的调用格式为：XCallName（N1,N2,）SubName 例句:X1 2 4 17
19、3 1 MULTI,31,7.4 电路特性分析指令与控制语句,7.4.1 分析语句直流工作点分析 直流扫描分析小信号传输函数 交流特性分析直流或小信号交流灵敏度分析噪声分析 瞬态特性分析傅立叶分析 失真分析零极点分析 温度特性分析,32,7.4.2 分析控制语句初始节点电压设置NODESET V(NODENUM)=VAL V(NODENUM)=VAL 初始条件设置.IC V(NODENUM)=VAL V(NODENUM)=VAL 输出控制.PRINT PRTTYPE OUTVAR1 重置参数.OPTIONS OPT1 OPT2.OPTIONS OPT=VAL,33,7.5 SPICE电路输入文
20、件举例,例4:RTL反相器SIMPLE RTL INVERTER VCC 4 0 5 VIN 1 0 PULSE 0 5 2NS 2NS 2NS 30NS RB 1 2 10K Q1 3 2 0 Q1 RC 3 4 1K.MODEL Q1 NPN BF 20 RB 100 TF.1NS CJC 2PF.DC VIN 0 5 0.1.TRAN 1NS 100NS.END,34,7.6 SPICE格式的电路图编辑,图7.3 用Cadence公司Schemetic画的CMOS差动放大器电路图,35,7.7 SPICE应用经验,一个电路的Z参数可以通过以下办法获得：两个子电路通过相同的网表文件，但是以互换的输入输出端口来定义；在每个电路的输入端输入一个单位幅度的交流信号，输出端开路；四个端口的电压可以用相同单位的输出变量在复平面或极坐标系中表示出来。经过模拟之后，电路的Z 参数就得到了。Y参数，H参数，和其它参数都可以通过类似的方法得到。通过得到的Z参数和其它参数，电路的S参数就可以通过它们的相互转换关系得到。,
