集成电路器件及SPICE模型

第6章集成电路器件6.1无源器件结构及模型集成电路中的无源元件包括:互连线、电阻、电容、电感、传输线等16.1.1 互连线在混合集成电路和单片集成电路的衬底上，互连线大多数是由金属薄层形成的条带。

不同衬底上的电路的互连可能用到金属裸线或电缆。

互连线设计应该注意以下方面：尽量短：减小信号或电源引起的损耗、减小芯片面积最小宽度：传输微弱电流，提高集成度保留足够的电流裕量：传输大电流多层金属：提高集成度趋肤效应和寄生参数（微波和毫米波）寄生效应：传导电阻实现低值电阻；寄生电容用作微波或毫米波信号的旁路电流。

2⏹深亚微米阶段后，互联线的延迟已经超过逻辑门的延迟，成为时序分析的重要组成部分。

应采用链状RC网络、RLC网络或进一步采用传输线来模拟互联线。

⏹常见的寄生效应有串联寄生电阻、并联寄生电容。

电源和地之间，电阻造成直流和瞬态压降；长信号线上，分布电阻电容带来延迟；导线长距离并行或不同层导线交叉时，带来相互串扰问题。

⏹为了保证模型的精准度和信号的完整性，需要对互联线的版图结构进行约束和规整。

⏹典型的串联寄生电阻值：金属0.05Ω/ □，多晶硅10-15Ω/ □，扩散区20-30Ω/ □。

简单长导线的寄生模型36.1.2 电阻⏹电阻是模拟电路的最基本的元件，在集成电路中有多种设计和制造方法，分为无源电阻和有源电阻。

⏹实现电阻有4种方式：1.晶体管结构中不同材料层的片式电阻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4.有源电阻5R =ρL/ dW=(ρ/d)L/W电阻的计算方块电阻薄层导体的电阻R 与L/W 成正比，当L=W 时，有R=ρ/d 。

定义比例系数ρ/d 为方块电阻(用R □表示)，单位为欧姆。

R □=ρ/d R= R □L/WR □表示一个正方形材料的薄层电阻,它与正方形边长的大小无关, 只与半导体的掺杂水平和掺杂区的结深（即材料厚度）有关。

⏹ 1.晶体管结构中不同材料层的片式电阻双极型硅工艺：掩埋集电极的N+层，2-10Ω/ □基极P-层，KΩ/ □CMOS工艺：阱区形成片式电阻优点：实现10Ω-10KΩ的电阻值缺点：晶体管结构材料层构成，导致电阻随工艺和温度变化较大⏹ 2.专门加工制造的高质量高精度电阻CMOS工艺：多晶硅形成薄膜电阻GaAs工艺：镍、铬金属共同蒸发形成薄膜电阻，20-2000Ω73.互连线的传导电阻注意：根据工艺要求不同，电阻的长度为两引线孔之间的材料长度或电阻器8高频时，必须考虑电阻的寄生参数，采用其等效电路代替电阻进行电路模拟。

SPICE仿真和模型简介SPICE 仿真和模型简介1、SPICE仿真程序电路系统的设计人员有时需要对系统中的部分电路作电压与电流关系的详细分析，此时需要做晶体管级仿真（电路级），这种仿真算法中所使用的电路模型都是最基本的元件和单管。

仿真时按时间关系对每一个节点的I/V关系进行计算。

这种仿真方法在所有仿真手段中是最精确的，但也是最耗费时间的。

SPICE（Simulation program with integrated circuit emphasis）是最为普遍的电路级模拟程序，各软件厂家提供提供了Vspice、Hspice、Pspice等不同版本spice软件，其仿真核心大同小异，都是采用了由美国加州Berkeley大学开发的spice模拟算法。

SPICE可对电路进行非线性直流分析、非线性瞬态分析和线性交流分析。

被分析的电路中的元件可包括电阻、电容、电感、互感、独立电压源、独立电流源、各种线性受控源、传输线以及有源半导体器件。

SPICE内建半导体器件模型，用户只需选定模型级别并给出合适的参数。

2、元器件模型为了进行电路模拟，必须先建立元器件的模型，也就是对于电路模拟程序所支持的各种元器件，在模拟程序中必须有相应的数学模型来描述他们，即能用计算机进行运算的计算公式来表达他们。

一个理想的元器件模型，应该既能正确反映元器件的电学特性又适于在计算机上进行数值求解。

一般来讲，器件模型的精度越高，模型本身也就越复杂，所要求的模型参数个数也越多。

这样计算时所占内存量增大，计算时间增加。

而集成电路往往包含数量巨大的元器件，器件模型复杂度的少许增加就会使计算时间成倍延长。

反之，如果模型过于粗糙，会导致分析结果不可靠。

因此所用元器件模型的复杂程度要根据实际需要而定。

如果需要进行元器件的物理模型研究或进行单管设计，一般采用精度和复杂程度较高的模型，甚至采用以求解半导体器件基本方程为手段的器件模拟方法。

二微准静态数值模拟是这种方法的代表，通过求解泊松方程，电流连续性方程等基本方程结合精确的边界条件和几何、工艺参数，相当准确的给出器件电学特性。

SPICE的器件模型在介绍SPICE基础知识时介绍了最复杂和重要的电路描述语句，其中就包括元器件描述语句。

许多元器件（如二极管、晶体管等）的描述语句中都有模型关键字，而电阻、电容、电源等的描述语句中也有模型名可选项，这些都要求后面配以.MODEL起始的模型描述语句，对这些特殊器件的参数做详细描述。

电阻、电容、电源等的模型描述语句语句比较简单，也比较容易理解，在SPICE基础中已介绍，就不再重复了；二极管、双极型晶体管的模型虽也做了些介绍，但不够详细，是本文介绍的重点，以便可以自己制作器件模型；场效应管、数字器件的模型过于复杂，太专业，一般用户自己难以制作模型，只做简单介绍。

元器件的模型非常重要，是影响分析精度的重要因素之一。

但模型中涉及太多图表，特别是很多数学公式，都是在WORD下编辑后再转为JEPG图像文件的，很繁琐和耗时，所以只能介绍重点。

一、二极管模型：1.1 理想二极管的I-V特性：1.2 实际硅二极管的I-V特性曲线：折线1.3 DC大信号模型：1.4 电荷存储特性：1.5 大信号模型的电荷存储参数Qd：1.6 温度模型：1.7 二极管模型参数表：二、双极型晶体管BJT模型：2.1 Ebers-Moll静态模型：电流注入模式和传输模式两种2.1.1 电流注入模式：2.1.2 传输模式：2.1.3 在不同的工作区域，极电流Ic Ie的工作范围不同，电流方程也各不相同：2.1.4 Early效应：基区宽度调制效应2.1.5 带Rc、Re、Rb的传输静态模型：正向参数和反向参数是相对的，基极接法不变，而发射极和集电极互换所对应的两种状态，分别称为正向状态和反向状态，与此对应的参数就分别定义为正向参数和反向参数。

2.2 Ebers-Moll大信号模型：2.3 Gummel-Pool静态模型：2.4 Gummel-Pool大信号模型：拓扑结构与Ebers-Moll大信号模型相同，非线性存储元件电压控制电容的方程也相同2.5 BJT晶体管模型总参数表：三、金属氧化物半导体晶体管MOSFET模型：3.1 一级静态模型：Shichman-Hodges模型3.2 二级静态模型（大信号模型）：Meyer模型3.2.1 电荷存储效应：3.2.2 PN结电容：3.3 三级静态模型：3.2 MOSFET模型参数表：一级模型理论上复杂，有效参数少，用于精度不高场合，迅速粗略估计电路二级模型可使用复杂程度不同的模型，计算较多，常常不能收敛三级模型精度与二级模型相同，计算时间和重复次数少，某些参数计算比较复杂四级模型BSIM，适用于短沟道（<3um）的分析，Berkley在1987年提出四、结型场效应晶体管JFET模型：基于Shichman-Hodges模型4.1 N沟道JFET静态模型：4.2 JFET大信号模型：4.3 JFET模型参数表：五、GaAs MESFET模型：分两级模型（肖特基结作栅极）GaAs MESFET模型参数表：六、数字器件模型：6.1 标准门的模型语句：.MODEL <(model)name> UGATE [模型参数] 标准门的延迟参数：6.2 三态门的模型语句：.MODEL <(model)name> UTGATE [模型参数]三态门的延迟参数：6.3 边沿触发器的模型语句：.MODEL <(model)name> UEFF [模型参数]边沿触发器参数：JKFF nff preb,clrb,clkb,j*,k*,g*,gb* JK触发器，后沿触发DFF nff preb,clrb,clk,d*,g*,gb* D触发器，前沿触发边沿触发器时间参数：6.4 钟控触发器的模型语句：.MODEL <(model)name> UGFF [模型参数]钟控触发器参数：SRFF nff preb,clrb,gate,s*,r*,q*,qb* SR触发器，时钟高电平触发DLTCH nff preb,clrb,gate,d*,g*,gb* D触发器，时钟高电平触发钟控触发器时间参数：6.5 可编程逻辑阵列器件的语句：U <name> <pld type> (<#inputs>,<#outputs>) <input_node>* <output_node># +<(timing model)name> <(io_model)name> [FILE=<(file name) text value>]+[DATA=<radix flag>$ <program data>$][MNTYMXDLY=<(delay select)value>] +[IOLEVEL=<(interface model level)value>]其中：<pld type>列表<(file name) text value> JEDEC格式文件的名称，含有阵列特定的编程数据JEDEC文件指定时，DATA语句数据可忽略<radix flag> 是下列字母之一：B 二进制 O 八进制 X 十六进制<program data> 程序数据是一个数据序列，初始都为0PLD时间模型参数：七、数字I/O接口子电路：数字电路与模拟电路连接的界面节点，SPICE自动插入此子电路子电路名（AtoDn和DtoAn）在I/O模型中定义，实现逻辑状态与电压、阻抗之间的转换。

一种建模方法集成电路引言集成电路是现代电子技术的重要组成部分，能够在微小的空间内集成大量的电子元器件，实现复杂的功能。

为了实现高性能、低功耗和可靠性的集成电路设计，建模是不可或缺的一步。

本文将介绍一种常用的集成电路建模方法，以帮助读者了解这一领域的基础知识。

集成电路建模的基本原理在集成电路设计中，建模是指将电路中的元器件、连接线和信号转换为数学形式的过程。

通过建模，设计师可以根据电路的性能需求和特定应用场景选择合适的元器件，进行仿真和优化。

集成电路建模的基本原理是将电路中的各个部分抽象成简化的数学模型，以便进行计算和分析。

集成电路建模的方法1. SPICE模型SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）是一种常用的集成电路仿真软件，也是一种常用的集成电路建模方法。

SPICE模型通过描述电路中元器件的电路参数和非线性特性来实现电路的建模。

它提供了一种标准化的描述方法，允许设计师将不同的元器件集成到同一电路模型中进行仿真。

2. Verilog和VHDLVerilog和VHDL是两种常用的硬件描述语言，也可以用于集成电路建模。

这两种语言允许设计师描述电路的结构和行为，以及元器件之间的信号传输和时序关系。

通过使用Verilog和VHDL，设计师可以将电路的功能和性能特征转化为计算机可识别的形式，实现集成电路的建模和验证。

3. 数学模型数学模型是一种基于物理原理和数学方程的电路建模方法。

通过使用数学工具和方法，如微分方程、线性代数和概率论，可以描述电路中元器件的行为和相互作用。

数学模型通常用于分析和优化集成电路的性能，为设计师提供理论基础和模拟工具。

集成电路建模的应用集成电路建模方法在实际应用中具有广泛的应用场景，例如：1. 电路仿真和验证：通过建模和仿真，设计师可以在实际制造之前验证电路的性能和可靠性，发现和解决潜在问题。

2. 电路优化和改进：通过建模和分析，设计师可以对电路的结构、元器件和参数进行优化，以实现更好的性能和功耗。

SPICE 仿真和模型简介1、SPICE 仿真程序电路系统的设计人员有时需要对系统中的部分电路作电压与电流关系的详细分析，此时需要做晶体管级仿真（电路级），这种仿真算法中所使用的电路模型都是最基本的元件和单管。

仿真时按时间关系对每一个节点的I/V 关系进行计算。

这种仿真方法在所有仿真手段中是最精确的，但也是最耗费时间的。

SPICE（Simulation program with integrated circuit emphasis）是最为普遍的电路级模拟程序，各软件厂家提供提供了Vspice、Hspice、Pspice 等不同版本spice 软件，其仿真核心大同小异，都是采用了由美国加州Berkeley 大学开发的spice 模拟算法。

SPICE 可对电路进行非线性直流分析、非线性瞬态分析和线性交流分析。

被分析的电路中的元件可包括电阻、电容、电感、互感、独立电压源、独立电流源、各种线性受控源、传输线以及有源半导体器件。

SPICE 内建半导体器件模型，用户只需选定模型级别并给出合适的参数。

2、元器件模型为了进行电路模拟，必须先建立元器件的模型，也就是对于电路模拟程序所支持的各种元器件，在模拟程序中必须有相应的数学模型来描述他们，即能用计算机进行运算的计算公式来表达他们。

一个理想的元器件模型，应该既能正确反映元器件的电学特性又适于在计算机上进行数值求解。

一般来讲，器件模型的精度越高，模型本身也就越复杂，所要求的模型参数个数也越多。

这样计算时所占内存量增大，计算时间增加。

而集成电路往往包含数量巨大的元器件，器件模型复杂度的少许增加就会使计算时间成倍延长。

反之，如果模型过于粗糙，会导致分析结果不可靠。

因此所用元器件模型的复杂程度要根据实际需要而定。

如果需要进行元器件的物理模型研究或进行单管设计，一般采用精度和复杂程度较高的模型，甚至采用以求解半导体器件基本方程为手段的器件模拟方法。

二微准静态数值模拟是。