spice模型PPT课件
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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。
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）。
公式中符号
IS αF αR VAF VAR mE mC ms VE0 V C0 V S0
SPICE中符 号 IS BF BR VAF
VAR MJE MJC MJS VJE VJC VJS
单位
A － － V V － － － V V V
SPICE默认 值
10－16 100
1 ∞ ∞ 0.33 0.33 0.0 0.75 0.75 0.75
其中不随偏压变化的部分是栅极与源区、漏 区的交叠氧化层电容以及栅与衬底间的交叠氧 化层电容（在场氧化层上） 。
随偏压而变的栅电容是栅氧化层电容与空间 电荷区电容相串联的部分。
工作区 截止区 非饱和区 饱和区
不同工作区的栅电容
CGB1 COXWLeff
0
0
CGS1 0
COXWLeff/2 (2/3)COXWLeff
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AT&T 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。
nVt
二极管模型参数对照表
参数名
饱和电流 发射系数 串联体电阻 渡越时间 零偏置时的势垒
电容 梯度因子
PN结内建势垒
公式中符号
IS n RS τT Cj0 m V0
SPICE中符号
IS N RS TT CJ0 M VJ
单位
A Ω Sec F V
SPICE中缺省 值
1.0E-14 1 0 0
0
0.5
a R I R IBICIE
VCEVBEVBC
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。
1
二极管的噪声模型
热噪声：
In2
4kTA RS
闪烁（1/f）噪声和散粒噪声：
In2KF IDAF1f 2qD I
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。
2）等效电路模型 半导体器件的等效电路模型是在特定的工作条 件下，把器件的物理模型用一组理想元件代 替，用这些理想元件的支路方程表示器件的物 理模型。一般说，同一个半导体器件在不同的 工作条件下，将有不同的等效电路模型。例如 一个器件的直流模型、交流小信号模型、交流 大信号模型以及瞬态模型等是各不相同的。
二、MOS1模型
MOS1模型包括了漏
G
区和源区的串联电阻
rD和rS，两个衬底PN 结和结电容CBS、CBD，
+
C GB
C GS
V -
G
S
rS
IDS
+ V G D- C G D
rD
反映电荷存储效应的 S
-
-
D
三个非线性电容CGB、
C BS
VBS VBD
+
+
C BD
CGS和CGD以及受控电
B
流源IDS。
V T H V T 0 2 F V S B 2 F
2）两个衬底PN结
当VBS>0时 当VBS<0时
IBSISSexpqkVB TS1
IBS
qISS kT
VBS
当VBD>0时 当VBD<0时
IBDISDexpqkVBTD1
IBD
qISD kT
VBD
3）PN结电容 两个PN结电容CBS和CBD由底部势垒电容和
侧壁势垒电容两部分组成。
C B SC j01 V B A SS V 0m j C jsw 1 0V B P S S V 0m SW
C B D C j01 V B A D D V 0m j C jsw 1 0V B P D D V 0m SW
4）栅电容
三个非线性栅电容CGB，CGS，CGD由随偏压 变化和不随偏压变化的两部分构成。
二极管的电路模型
+V
VDVIDRS
+
RS
ID ISexpnVDVt 1
VD
ID
Cj
Cd
kT
-
Vt q
_
IS JSA
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：
m
Cj Cj01VVD0
扩散电容Cd计算表达式为：
Cd ddV Q DτTddV ID D
τTID
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。
一、双极型晶体管的EM模型
V BC IB +
B +
V BE -
C IC
IR
IF
IE E
ICIS exV V B p t E 1 IS R exV V B p t C 1
a F I F IE IS F exV V B tpE 1 IS exV V B tpC 1
❖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。
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。
CGD1 0
COXWLeff/2 0
5）串联电阻的影响
漏区和源区串联电阻的存在使加在漏源区的 有效电压会小于加在外部端口处的电压，会影 响MOS管的电学特性。MOS1模型中引入了电 阻rD和rS分别表示漏区和源区的串联电阻，其 值可以在模型语句.MODEL中给定，也可通过 MOS管的NRD和NRS来确定 。
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 问题。在数学上，上述问题可归结为最小二乘 法的曲线拟和。
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。
E rE E
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。
C BC
B rB C BE
C
rC
IBC βR
IB E βF
r
B rBB B
C + V -
C js
+
C
V r
-
(g m FV -g m RV )
E
IB E -IB C
rE
E
C rC
C
r0
C js
EM小信号等效电路
rE E
EM2模型
双极型晶体管部分模型参数在SPICE中的符号名称
参数名
饱和电流 理想最大正向电流增益 理想最大反向电流增益 正向厄利（欧拉）电压 反向厄利（欧拉）电压 基极-发射极结梯度因子 基极-集电极结梯度因子 衬底结指数因子 基极-发射极内建电势 基极-集电极内建电势 衬底结内建电势
（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。
模型参数提取技术
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。
ILC
B
B
rBB ILE
C rC
C IEC βR
ICC βF
E
rE E
ICT= ICC-IEC
C jx
r
B rBB B
C
C
rC C
+ V +
C js
V r C
-
(gmFV -gmRV)
g0
1）电流方程
线性区：
λ ID S K PL 0 W 2 L D V G S V T H V D S 1 2 V D 2 S 1 V D S
饱和区：
λ ID SK 2 PL 0 W 2L DV G SV T H 21V DS
γ φ φ Kp μp.nCoxμε tooxx
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。
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。
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。
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）。
公式中符号
IS αF αR VAF VAR mE mC ms VE0 V C0 V S0
SPICE中符 号 IS BF BR VAF
VAR MJE MJC MJS VJE VJC VJS
单位
A － － V V － － － V V V
SPICE默认 值
10－16 100
1 ∞ ∞ 0.33 0.33 0.0 0.75 0.75 0.75
其中不随偏压变化的部分是栅极与源区、漏 区的交叠氧化层电容以及栅与衬底间的交叠氧 化层电容（在场氧化层上） 。
随偏压而变的栅电容是栅氧化层电容与空间 电荷区电容相串联的部分。
工作区 截止区 非饱和区 饱和区
不同工作区的栅电容
CGB1 COXWLeff
0
0
CGS1 0
COXWLeff/2 (2/3)COXWLeff
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AT&T 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。
nVt
二极管模型参数对照表
参数名
饱和电流 发射系数 串联体电阻 渡越时间 零偏置时的势垒
电容 梯度因子
PN结内建势垒
公式中符号
IS n RS τT Cj0 m V0
SPICE中符号
IS N RS TT CJ0 M VJ
单位
A Ω Sec F V
SPICE中缺省 值
1.0E-14 1 0 0
0
0.5
a R I R IBICIE
VCEVBEVBC
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。
1
二极管的噪声模型
热噪声：
In2
4kTA RS
闪烁（1/f）噪声和散粒噪声：
In2KF IDAF1f 2qD I
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。
2）等效电路模型 半导体器件的等效电路模型是在特定的工作条 件下，把器件的物理模型用一组理想元件代 替，用这些理想元件的支路方程表示器件的物 理模型。一般说，同一个半导体器件在不同的 工作条件下，将有不同的等效电路模型。例如 一个器件的直流模型、交流小信号模型、交流 大信号模型以及瞬态模型等是各不相同的。
二、MOS1模型
MOS1模型包括了漏
G
区和源区的串联电阻
rD和rS，两个衬底PN 结和结电容CBS、CBD，
+
C GB
C GS
V -
G
S
rS
IDS
+ V G D- C G D
rD
反映电荷存储效应的 S
-
-
D
三个非线性电容CGB、
C BS
VBS VBD
+
+
C BD
CGS和CGD以及受控电
B
流源IDS。
V T H V T 0 2 F V S B 2 F
2）两个衬底PN结
当VBS>0时 当VBS<0时
IBSISSexpqkVB TS1
IBS
qISS kT
VBS
当VBD>0时 当VBD<0时
IBDISDexpqkVBTD1
IBD
qISD kT
VBD
3）PN结电容 两个PN结电容CBS和CBD由底部势垒电容和
侧壁势垒电容两部分组成。
C B SC j01 V B A SS V 0m j C jsw 1 0V B P S S V 0m SW
C B D C j01 V B A D D V 0m j C jsw 1 0V B P D D V 0m SW
4）栅电容
三个非线性栅电容CGB，CGS，CGD由随偏压 变化和不随偏压变化的两部分构成。
二极管的电路模型
+V
VDVIDRS
+
RS
ID ISexpnVDVt 1
VD
ID
Cj
Cd
kT
-
Vt q
_
IS JSA
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：
m
Cj Cj01VVD0
扩散电容Cd计算表达式为：
Cd ddV Q DτTddV ID D
τTID
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。
一、双极型晶体管的EM模型
V BC IB +
B +
V BE -
C IC
IR
IF
IE E
ICIS exV V B p t E 1 IS R exV V B p t C 1
a F I F IE IS F exV V B tpE 1 IS exV V B tpC 1
❖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。
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。
CGD1 0
COXWLeff/2 0
5）串联电阻的影响
漏区和源区串联电阻的存在使加在漏源区的 有效电压会小于加在外部端口处的电压，会影 响MOS管的电学特性。MOS1模型中引入了电 阻rD和rS分别表示漏区和源区的串联电阻，其 值可以在模型语句.MODEL中给定，也可通过 MOS管的NRD和NRS来确定 。
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 问题。在数学上，上述问题可归结为最小二乘 法的曲线拟和。
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。
E rE E
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。
C BC
B rB C BE
C
rC
IBC βR
IB E βF
r
B rBB B
C + V -
C js
+
C
V r
-
(g m FV -g m RV )
E
IB E -IB C
rE
E
C rC
C
r0
C js
EM小信号等效电路
rE E
EM2模型
双极型晶体管部分模型参数在SPICE中的符号名称
参数名
饱和电流 理想最大正向电流增益 理想最大反向电流增益 正向厄利（欧拉）电压 反向厄利（欧拉）电压 基极-发射极结梯度因子 基极-集电极结梯度因子 衬底结指数因子 基极-发射极内建电势 基极-集电极内建电势 衬底结内建电势
（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。
模型参数提取技术
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。
ILC
B
B
rBB ILE
C rC
C IEC βR
ICC βF
E
rE E
ICT= ICC-IEC
C jx
r
B rBB B
C
C
rC C
+ V +
C js
V r C
-
(gmFV -gmRV)
g0
1）电流方程
线性区：
λ ID S K PL 0 W 2 L D V G S V T H V D S 1 2 V D 2 S 1 V D S
饱和区：
λ ID SK 2 PL 0 W 2L DV G SV T H 21V DS
γ φ φ Kp μp.nCoxμε tooxx
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。
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。