SPICE的器件模型
SPICE的器件模型教材
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。
spice与器件模型
第七章 Pspice与器件模型
Spice在计算中采用了精确半导体器件模型、 稀疏矩阵等 技术, 在数学和物理上的概念非常清晰并具有很高的精确度, 良 好的通用性, 并能模拟不同类型的电路。 但目前Spice还存在以 下一些不足:
(1) Spice用网表的文本方式输入电路的描述。要构造一个 网表, 设计者首先要数出电路的所有节点, 然后建立文件去描述 电路的连接和元件值。 为此, 用户首先要学会使用计算机的操 作系统和文件编辑器, 还要掌握各种专用命令。所以开始阶段 用户会感到不便。
第七章 Pspice与器件模型
(2) 模拟电路要求的精度高, 所以Spice 中所建模型要精确， 模型参数的赋值也必须非常准确，结果造成Spice中某些元件 有几十个参数。这里所说的模型参数不同于器件出厂时的手册 参数, Spice所给的是反映器件内部物理特性的一些参数。 在使 用时, 要用户自行提供这些参数是很困难的, 通常情况下只好用 Spice程序的缺省值代替, 这往往会导致分析结果不准确。
模型参数 C VC1 VC2 TC1 TC2
单位 F V V ℃ ℃
缺省值 1 0 0 0 0
参数的意义 电容因子 线性电压系数 平方电压系数 线性温度系数 平方温度系数
第七章 Pspice与器件模型 在Pspice中可以采用不同的比例后缀来表示5E6 1.05MEG 1.05E3K 0.00105G
第七章 Pspice与器件模型
spice模型
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。
一、模型参数提取方法
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。
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
C IC VBC IB + B + VBE IR aFIF
IS VBC VBE I C I S exp 1 exp V 1 Vt R t
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。
集成电路器件及SPICE模型
12
图6.5 (a)叉指结构电容 (b)MIM 结构电容
13
电容
平板电容公式
d 高频等效模型:并联G、串联L和R。
自谐振频率 f0
f0 1 2 LC
C
r 0lw
f < f0 / 3
品质因数 Q
14
6.1.4 电感
引言 集总电感
L 1.26a[ln(8a / w) 2 （ ] pH）
ZL 60
reff
8h w ln w 4h
ZL
120
w/h<1
w h h reff 2.42 0.44 1 h w w
6
w/h>1
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。
22
3. 共面波导(CPW)---微波平面传输线
在介质基片的一个面上制作出中心导体带，并在 紧邻中心导体带的两侧制作出导体平面
图6.12 (a)常规共面波导
(b)双线共面波导
23
CPW传输TEM波的条件 CPW的阻抗计算
图6.11
(a)典型微带线的剖面图
(b)覆盖钝化膜的微带线
20
TEM波(电磁波的电场和磁场都在垂直于 传播方向的平面上 ) 传输线的条件
w, h 0 /(40 r )
1/ 2
GaAs衬底的厚度<200um
21
微带线设计需要的电参数主要是阻抗、衰减、 无载QDS
第5章集成电路元器件及其SPICE模型ppt课件
金属叉指结构电容
优点：不需要额 外的工艺。
特征尺寸急剧降 低，金属线条的 宽度和厚度之比 大大减小，叉指 的侧面电容占主 导地位。
PN结电容
❖ 利用PN结电容的优点也是不需要额外的工艺，但所 实现的电容有一个极性问题。
❖耗尽区
❖反型区
G
Co 沟道 Cdep
Vss
G ++++++
沟道 耗尽层 P型衬底
Vss
（a）物理结构
tox d
Cgb Co 积累区
耗尽区
1.0
反型区
（b）电容与Vgs的函数关系 0.2
0
Vgs
三、集成电感
在集成电路开始出现以后很长一段时间内， 人们一直认为电感是不能集成在芯片上的。因 为那时集成电路工作的最高频率在兆赫量级， 芯片上金属线的电感效应非常小。现在的情况 就不同了，首先，近二十年来集成电路的速度 越来越高，射频集成电路（RFIC）已经有了很 大的发展，芯片上金属结构的电感效应变得越 来越明显。芯片电感的实现成为可能。
在设计电路的时候需要非常准确地 预测出电路的性能。为了做到这一点， 需要对电路尽可能地进行精确的性能分 析（Analysis）。因为集成电路元器件 无法用实物构建，必须首先建立器件模 型，然后对用这些元器件模型所设计的 集成电路进行以分析计算为基础的电路 仿真（Simulation）。
在集成电路的晶体管级仿真方面， SPICE是主要的电路仿真程序，并已成为 工业标准。因此，集成电路设计工程师， 特别是模拟和数字混合信号集成电路设计 工程师必须掌握SPICE的应用。
第二讲-PSpice中的器件模型和模型参数
PSpice中的模型和模型参数库一．PSpice中的模型参数库二．模型描述格式半导体器件模型描述格式子电路模型描述格式三．以已有模型为基础新建模型描述四．为实际元器件提取模型参数、建立模型描述3．模型类别（按照建模方式划分）(1) 元器件物理模型(2) 子电路宏模型(3) 黑匣子宏模型4. 目前研究的问题(1) 提高模型精度。
(2) 建立新器件的模型。
(3) 提高模型参数提取精度。
5．PSpice中的模型参数库(1) PSpice软件数据库中提供有三万多个元器件的模型参数；分别存放在一百多个模型参数库文件（扩展名为LIB）；一．PSpice中的模型参数库5．PSpice中的模型参数库(1) PSpice软件数据库中提供有三万多个元器件的模型参数；分别存放在一百多个模型参数库文件（扩展名为LIB）；每个模型参数库文件都对应有一个元器件符号库文件(以OLB为扩展名)，存放不同元器件的符号图。
一．PSpice中的模型参数库5．PSpice中的模型参数库(1) PSpice软件数据库中提供有三万多个元器件的模型参数；分别存放在一百多个模型参数库文件（扩展名为LIB）；每个模型参数库文件都对应有一个元器件符号库文件(以OLB为扩展名)，存放不同元器件的符号图。
注意：这两类库文件存放的子目录不相同。
元器件符号库文件所在的路径元器件模型参数库文件所在的路径注意：只有上述库文件中的元器件符号才配置有模型参数一．PSpice中的模型参数库5．PSpice中的模型参数库(1) PSpice软件数据库中提供有三万多个元器件的模型参数；分别存放在一百多个模型参数库文件（扩展名为LIB）；每个模型参数库文件都对应有一个元器件符号库文件(以OLB为扩展名)，存放不同元器件的符号图。
注意：这两类库文件存放的子目录不相同。
(2) 用户绘制电路图时实际调用的是元器件符号库中的元器件符号图。
调用PSpice进行模拟仿真时软件自动从对应的模型参数库中调用相应的模型参数。
SPICE器件模型
SPICE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。
二维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。
而对于一般的电路分析，应尽可能采用能满足一定精度要求的简单模型（Compact model）。
电路模拟的精度除了取决于器件模型外，还直接依赖于所给定的模型参数数值的精度。
因此希望器件模型中的各种参数有明确的物理意义，与器件的工艺设计参数有直接的联系，或能以某种测试手段测量出来。
目前构成器件模型的方法有两种：一种是从元器件的电学工作特性出发，把元器件看成‘黑盒子’，测量其端口的电气特性，提取器件模型，而不涉及器件的工作原理，称为行为级模型。
这种模型的代表是IBIS模型和S参数。
其优点是建模和使用简单方便，节约资源，适用范围广泛，特别是在高频、非线性、大功率的情况下行为级模型几乎是唯一的选择。
缺点是精度较差，一致性不能保证，受测试技术和精度的影响。
另一种是以元器件的工作原理为基础，从元器件的数学方程式出发，得到的器件模型及模型参数与器件的物理工作原理有密切的关系。
SPICE模型是这种模型中应用最广泛的一种。
SPICE模型、命令介绍
SPICE模型、命令介绍SPICE模型、命令介绍下⾯列出常⽤SPICE器件的模型描述。
{ }中的参数是必须的，[ ]中的参数可选，{ }*中的参数需要重复。
此外，每个SPICE模型提供商可能会有其他的参数或命令。
DEVICE：1、C device - Capacitor.C{name} {+node} {-node} [{model}] {value} [IC={initial}]Examples:CLOAD 15 0 20pFCFDBK 3 33 CMOD 10pF IC=1.5v2、D device - Diode.D{name} {+node} {-node} {model} [area]Examples:DCLAMP 14 0 DMOD3、I device - Current Source.I{name} {+node} {-node} [[DC] {value}] [AC {mag} [{phase}]]Examples:IBIAS 13 0 2.3mAIAC 2 3 AC .001IPULSE 1 0 PULSE(-1mA 1mA 2ns 2ns 2ns 50ns 100ns)I3 26 77 AC 1 SIN(.002 .002 1.5MEG)4、J device - Junction FET.J{name} {d} {g} {s} {model} [{area]}Examples:JIN 100 1 0 JFAST5、K device - Inductor Coupling.K{name} L{name} { L{name} }* {coupling}Examples:KTUNED L3OUT L4IN .8KXFR1 LPRIM LSEC .996、L device - Inductor.L{name} {+node} {-node} [model] {value} [IC={initial}]Examples:LLOAD 15 0 20mHL2 1 2 .2e-6LSENSE 5 12 2uH IC=2mA7、M device - MOSFET.M{name} {d} {g} {s} {sub} {mdl} [L={value}] [W={value}] + [AD={value}] [AS={value}] + [PD={value}] [PS={value}]+ [NRD={value}] [NRS={value}]Examples:M1 14 2 13 0 PNOM L=25u W=12uM13 15 3 0 0 PSTRONG8、Q device - Bipolar Transistor.Q{name} {c} {b} {e} [{subs}] {model} [{area}]Examples:Q1 14 2 13 PNPNOMQ13 15 3 0 1 NPNSTRONG 1.59、R device - Resistor.R{name} {+node} {-node} [{model}] {value}Examples:RLOAD 15 0 2k10、S device - Voltage-Controlled Switch.S{name} {+node} {-node} {+control} {-control} {model}Examples:S12 13 17 2 0 SMOD11、T device - Transmission Line.T{name} {A+} {A-} {B+} {B-} Z0={value}[TD={val} | F={val}[NL={val}]]Examples:T1 1 2 3 4 Z0=220 TD=115nsT2 1 2 3 4 Z0=50 F=5MEG NL=0.512、V device - Voltage Source.V{name} {+node} {-node} [[DC] {value}] [AC {mag} [{phase}]]Examples:VBIAS 13 0 2.3mVV AC 2 3 AC .001VPULSE 1 0 PULSE(-1mV 1mV 2ns 2ns 2ns 50ns 100ns)V3 26 77 AC 1 SIN(.002 .002 1.5MEG)13、X device - Subcircuit Call.X{name} [{node}]* {subcircuit name}Examples:X12 100 101 200 201 DIFFAMPCONTROLLED SOURCES14、E device - Voltage Controlled V oltage Source VCVS.E{name} {+node} {-node} {+cntrl} {-cntrl} {gain}E{name} {+node} {-node} POL Y({value}) {{+cntrl} {-cntrl}}* {{coeff}}* Examples: EBUFF 1 2 10 11 1.0EAMP 13 0 POL Y(1) 26 0 50015、F device - Current Controlled Current Source CCCS.F{name} {+node} {-node} {vsource name} {gain}Examples:FSENSE 1 2 VSENSE 10.016、G device - Voltage Controlled Current Source VCCS.G{name} {+node} {-node} {+control} {-control} {gain}Examples:GBUFF 1 2 10 11 1.017、H device - Current Controlled V oltage Source CCVS.H{name} {+node} {-node} {vsource name} {gain}H{name} {+node} {-node} POL Y({value}) { {vsource name} }* {{coeff}}* Examples: HSENSE 1 2 VSENSE 10.0HAMP 13 0 POL Y(1) VIN 500INPUT SOURCES18、EXPONENTIALEXP( {v1} {v2} {trise_delay} {tau_rise} {tfall_delay} {tau_fall) )19、PULSEPULSE( {v1} {v2} {tdelay} {trise} {tfall} {width} {period} )20、PIECE WISE LINEARPWL( {time1} {v1} {time2} {v2} ... {time3} {v3} )21、SINGLE FREQUENCY FMSFFM( {voffset} {vpeak} {fcarrier} {mod_index} {fsignal} )22、SINE WA VESIN( {voffset} {vpeak} {freq} {tdelay} {damp_factor} {phase} )ANALOG BEHA VIORAL MODELING23、V ALUEE|G{name} {+node} {-node} V ALUE {expression}Examples:GMULT 1 0 V ALUE = { V(3)*V(5,6)*100 }ERES 1 3 VALUE = { I(VSENSE)*10K }24、TABLEE|G{name} {+node} {-node} TABLE {expression} = (invalue, outvalue)* Examples: ECOMP 3 0 TABLE {V(1,2)} = (-1MV 0V) (1MV, 10V)25、LAPLACEE|G{name} {+node} {-node} LAPLACE {expression} {s expression} Examples:ELOPASS 4 0 LAPLACE {V(1)} {10 / (s/6800 + 1)}26、FREQE|G{name} {+node} {-node} FREQ {expression} (freq, gain, phase)* Examples:EAMP 5 0 FREQ {V(1)} (1KZ, 10DB, 0DEG) (10KHZ, 0DB, -90DEG)27、POL YE|G{name} {+node} {-node} POL Y(dim) {inputs X} {coeff k0,k1,...} [IC=value] Examples:EAMP 3 0 POL Y(1) (2,0) 0 500EMULT2 3 0 POL Y(2) (1,0) (2,0) 0 0 0 0 1ESUM3 6 0 POL Y(3) (3,0) (4,0) (5,0) 0 1.2 0.5 1.2COEFFICIENTS28、POL Y(1)y = k0 + k1?X1 + k2?X1?X1 + k3?X1?X1?X1 + ...29、POL Y(2)y = k0 + k1?X1+ k2?X2 + k3?X1?X1+ k4?X2?X1 + k5?X2?X2+ k6?X1?X1?X1 + k7?X2?X1?X1 + k8?X2?X2?X1+ k9?X2? X2?X2 + ...30、POL Y(3)y = k0 + k1?X1 + k2?X2 + k3?X3 + k4?X1?X1 + k5?X2?X1 + k6?X3?X1+ k7?X2?X2+ k8?X2?X3 + k9?X3?X3 + ...STATEMENTS31、.AC - AC Analysis..AC [LIN][OCT][DEC] {points} {start} {end}Examples:.AC LIN 101 10Hz 200Hz.AC DEC 20 1MEG 100MEG32、.DC - DC Analysis..DC [LIN] {varname} {start} {end} {incr}.DC [OCT][DEC] {varname} {start} {end} {points}Examples:.DC VIN -.25 .25 .05.DC LIN I2 5mA -2mA 0.1mA VCE 10V 15V 1V 33、.FOUR - Fourier Analysis..FOUR {freq} {output var}*Examples:.FOUR 10KHz v(5) v(6,7)34、.IC - Initial Transient Conditions..IC { {vnode} = {value} }*Examples:.IC V(2)=3.4 V(102)=035、.MODEL – Device Model..MODEL {name} {type}Typename Devname DevtypeCAP Cxxx capacitorIND Lxxx inductorRES Rxxx resistorD Dxxx diodeNPN Qxxx NPN bipolarPNP Qxxx PNP bipolarNJF Jxxx N-channel JFETPJF Jxxx P-channel JFETNMOS Mxxx N-channel MOSFETPMOS Mxxx P-channel MOSFETVSWITCH Sxxx voltage controlled switch Examples:.MODEL RMAX RES (R=1.5 TC=.02 TC2=.005).MODEL QDRIV NPN (IS=1e-7 BF=30)36、.NODESET – Initial bias point guess..NODESET { {node}={value} }*Examples:.NODESET V(2)=3.4 V(3)=-1V37、.NOISE - Noise Analysis..NOISE {output variable} {name} [{print interval}] Examples:.NOISE V(5) VIN38、.PLOT – Plot Output..PLOT [DC][AC][NOISE][TRAN] [ [{output variable}*] Examples: .PLOT DC V(3) V(2,3) V(R1) I(VIN).PLOT AC VM(2) VP(2) VG(2)39、.PRINT – Print Output..PRINT [DC][AC][NOISE][TRAN] [{output variable}*] Examples: .PRINT DC V(3) V(2,3) V(R1) IB(Q13).PRINT AC VM(2) VP(2) VG(5) II(7)40、.PROBE – Save simulation output PSPICE COMMAND. .PROBE [output variable]*Examples:.PROBE.PROBE V(3) VM(2) I(VIN)41、.SENS - Sensitivity Analysis..SENS {output variable}*Examples:.SENS V(9) V(4,3) I(VCC)42、.SUBCKT - Subcircuit Definition..SUBCKT {name} [{node}*]Examples:.SUBCKT OPAMP 1 2 101 10243、.TEMP – Temperature Analysis..TEMP {value}*Examples:.TEMP 0 27 12544、.TF – DC Transfer Function..TF {output variable} {input source name}Examples:.TF V(5) VIN45、.TRAN - Transient Analysis..TRAN {print step value} {final time} [{no print time} [{step ceiling value}]] [UIC] Examples:.TRAN 5NS 100NS。
SPICE的器件模型..
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绘语句，此中就包含元器件描绘语句。
很多元器件（如二极管、晶体管等）的描绘语句中都有模型要点字，而电阻、电容、电源等的描绘语句中也有模型名可选项，这些都要求后边配以 .MODEL开端的模型描绘语句，对这些特别器件的参数做详尽描绘。
电阻、电容、电源等的模型描绘语句语句比较简单，也比较简单理解，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，但不够详尽，是本文介绍的要点，以便能够自己制作器件模型；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。
元器件的模型特别重要，是影响剖析精度的重要要素之一。
但模型中波及太多图表，特别是好多半学公式，都是在 WORD下编写后再转为 JEPG图像文件的，很繁琐和耗时，因此只好介绍要点。
一、二极管模型：1.1理想二极管的I-V特征：1.2实质硅二极管的I-V 特征曲线：折线1.3DC大信号模型：1.4电荷储存特征：1.5大信号模型的电荷储存参数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：2.1Ebers-Moll静态模型：电流注入模式和传输模式两种电流注入模式：传输模式：在不一样的工作地区，极电流Ic Ie的工作范围不一样，电流方程也各不同样：2.1.4 Early效应：基区宽度调制效应带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，而发射极和集电极交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。
2.2Ebers-Moll大信号模型：2.3Gummel-Pool 静态模型：2.4Gummel-Pool 大信号模型：拓扑构造与 Ebers-Moll大信号模型同样，非线性储存元件电压控制电容的方程也同样2.5BJT 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 模型电荷储存效应：PN结电容：3.3三级静态模型：3.2MOSFET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，快速大略预计电路二级模型可使用复杂程度不一样的模型，计算许多，经常不可以收敛三级模型精度与二级模型同样，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，合用于短沟道（ <3um）的剖析， Berkley 在 1987 年提出四、结型场效应晶体管JFET模型：鉴于 Shichman-Hodges模型4.1N 沟道 JFET静态模型：4.2JFET 大信号模型：4.3JFET 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 ] 标准门的延缓参数：6.2三态门的模型语句：.MODEL <(model)name> UTGATE 模[型参数 ]三态门的延缓参数：6.3边缘触发器的模型语句：.MODEL <(model)name> UEFF [模型参数 ]边缘触发器参数：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，前沿触发边缘触发器时间参数：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>]此中： <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文件指准时， DATA语句数据可忽视<radix flag> 是以下字母之一： 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结的界面节点， 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、阻抗之间的变换。
集成电路器件及SPICE模型
根据对比结果，对SPICE模型的参数进行修正，减小误差。
验证模型准确性
通过多次修正和验证，确保SPICE模型能够准确模拟集成电路的性 能。
04
CATALOGUE
SPICE模型在集成电路设计中的应用
基于SPICE模型的电路仿真
模拟电路行为
SPICE模型能够描述电路中各个元 件的电气特性，通过仿真可以预 测电路在不同条件下的工作状态 和性能。
基于SPICE模型的集成电路可靠性分析
预测可靠性
基于SPICE模型的可靠性分析可以预测集成电路在不同环境和工 作条件下的性能退化和失效情况。
可靠性设计和优化
根据可靠性分析结果，设计师可以对集成电路进行针对性的可靠 性设计和优化，提高产品的可靠性和寿命。
失效分析
在集成电路失效分析中，SPICE模型可以辅助定位失效部位和原 因，为失效机理研究和改进设计提供依据。
根据集成电路的实际参数，如电阻阻值、电容容量、电感 感量、二极管和晶体管的电气特性等，设定SPICE模型的 参数值。
建立电路图
使用SPICE电路图编辑器，根据集成电路的电路图，绘制 对应的SPICE电路图。
集成电路器件的SPICE模型参数提取
01
测量电路性能
通过实际测量集成电路的输入输 出电压、电流等性能指标，验证 SPICE模型的准确性。
05
CATALOGUE
SPICE模型在集成电路制造中的应用
基于SPICE模型的制造工艺仿真
模拟电路行为
优化设计参数
在设计阶段，SPICE模型可用于优化电路元件的参 数，提高电路性能和稳定性。
通过SPICE模型，可以模拟集成电路在不同 工作条件下的行为，预测其性能和功能。
第七章 集成电路器件及SPICE模型
MOS结构电容
a a + + + + + + + + + 1.0 Co 沟道 Cdep 沟道 耗尽层 p型衬底 Vss Vss （a） （b） Vgs d tox Cgb Co 0.2 积累区 耗尽区 反型区
MOS电容 (a)物理结构 (b)电容与Vgs的函数关系
MOS结构电容
Cox Cox Í µ µ Æ
l ' / 4
集总元件
由于尺寸的小型化，几乎所有集成电路的有 源元件都可认为是集总元件。前面讨论的无 源元件也可作为集总元件来处理； 随着工作频率的增加，使得一些诸如互连线 的IC元件的尺寸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。
2
MIM电容
电容模型等效电路：
固有的自频率：
f0
1 2 LC
金属叉指结构电容
MOS结构电容
平板电容和PN结电容都不相同，MOS核心部分，即 金属-氧化物-半导体层结构的电容具有独特的性质。
它的电容-电压特性取决于半导体表面的状态。
随着栅极电压的变化，表面可处于： 积累区 耗尽区 反型区
有源电阻
I D + V S I IDS I O G S + V D (b) VGS V VTP
G
O
I IDS
VTN V (a)
VGS
MOS有源电阻及其I-V曲线
2t ox L V V 直流电阻： Ron︱VGS=V ＝ I n ox W (V VTN ) 2
交流电阻：
Proteus电路spice器件模型
模拟电路模型常见的有pspice、hspice、通用spice、ti_spice、ISPICE模型。
Prospice（Proteus，采用spice3f5）一、一般元件1、电阻温度特性：。
L1:A, MUTUAL_B=0.5L1:B二、半导体器件1、二极管（19个参数）对于硅二级管，工作电流大概为10uA-100A。
IS为0.01-10uA。
硅整流二极管为5-40uA，稳压二极管为0.1-5uA，发光二极管1-100uA。
对于锗二极管，工作电流100uA-100mA。
IS为10-1000uA。
100mV，ID/IS=45。
200mV，ID/IS=2194。
300m，VID/IS=10^5。
500mV，ID/IS=2.5*10^8。
600mV，ID/IS=1.2*10^10。
700m，VID/IS=5.7*10^11。
1.1 DC模型：Ut=k*T/q=1.3806226e-23*300.15/1.6021918e-19 =0.025864186伏。
推出Ut*ln(10)=0.05955449。
1.2 大信号模型的电荷存储参数Qd：1.3温度模型：φ(T2)=T2/T1*φ(T1)-2*K*T2/q*ln(Is2/Is1);1.4噪声模型1.5IS, RS and CJO are scaled by the area factor。
1.6 直流参数的推导（参数Is、N、Rs）1、Ud=Id*Rs+Ut2*N*ln(Id/IS)方程：设Id=100mA。
① Ud=Id*Rs+Ut2*N*ln(Id/IS)=0.338221② Ud1=Id*e*Rs+Ut2*N+Ut2*N*ln(Id/Is)=0.535911③ Ud2=Id*10*Rs+Ut2*N*ln(10)+Ut2*N*ln(Id/IS)=1.29777②-① Id*(exp(1)-1)*Rs+Ut2*N=0.19769;③-① Id*9*Rs+Ut2*N*log(10)=0.959549;推出Rs=0.9999999，N=0.99990887。
mosspice建模
（1）短沟和窄沟对阈值电压的影响；（6）漏感应引起位垒下降； （2）横向和纵向的非均匀掺杂； （7）沟道长度调制效应；
（3）垂直场引起的载流子迁移率下降（8）衬底电流引起的体效应，
（4）体效应；
（9）次开启导电问题；
（5）载流子速度饱和效应；
（10）漏／源寄生电阻。
短沟道MOS场效应管BSIM3模型
1 2LX Leff
NDS NA NA
1
S VTH
（4）窄沟道效应
VTH K3 K3bVBS
tOX Weff ' W0
S
短沟道MOS场效应管BSIM3模型
迁移率
一个好的表面迁移率模型对于MOSFET模型的精度是致关重要的。 一般讲，迁移率与很多工艺参数及偏置条件有关。BSIM3中所提供的 迁移率公式是：
强反型时的漏源电流
（1）截止区（VGS≤VTH）
IDS＝0
（2）线性工作区（VGS>VTH，0< VDS< VDSAT）
W
IDS
1U0
0
VGS VTH
Cox L
1
U1 L
VDS
VGS
VTH
VDS
a 2
VD2S
这里 a 1 gK1
2 S VBS
g
1
1.744
＝U1 CL
VGS
VTH a
短沟道MOS场效应管BSIM3模型
弱反型时的漏源电流
BSIM模型认为：总漏电流是强反型的漏电流与弱反型漏电流之
和。即：IDS＝IDS1＋IDS2
弱反型漏电流分量表示为：
I DS2
I expI Limit I exp I Limit
2
集成电路器件及SPICE模型通用课件
场效应管的SPICE模型
场效应管SPICE模型是模拟场效应管特性的数学模型。
场效应管SPICE模型包括沟道电流、阈值电压等参数，用于模拟场效应管在电路 中的行为。
集成电路器件SPICE模型的参数提取与优化
异构集成与三维集成中的SPICE模型挑战
随着集成电路技术的发展，异构集成和三维集成已经成为趋势。在异构集成和三维集成中， 不同材料和器件之间的相互作用和耦合效应更加复杂，因此需要更加精细的SPICE模型来模 拟。
现有的SPICE模型主要是针对单一器件或单一材料的仿真而设计的，因此在异构集成和三维 集成中需要进行改进和扩展。这需要研究新的建模方法和参数提取技术，以适应不同材料和 器件之间的耦合效应。
电阻器
电阻器是限流元件，用于调节 电路中的电流和电压，分为线 绕、薄膜和厚膜电阻器等类型。
电容器
电容器是储能元件，用于隔直、 滤波和旁路等作用，分为陶瓷、
薄膜和电解电容器等类型。
集成电路器件的工作原理
双极型晶体管工作原理
双极型晶体管利用载流子的扩散与漂移运动 控制电流，具有电流放大作用。
二极管工作原理
优化设计
基于SPICE模型的仿真结果，可以对 电路设计进行优化，改进电路的性能 指标，降低功耗和提高稳定性。
元件匹配与版图布局
元件匹配
SPICE模型可以模拟元件之间的匹配 情况，帮助设计者找到元件的最佳配 置，以确保电路性能的稳定。
版图布局
利用SPICE模型进行版图布局的模拟， 可以预测元件之间的耦合效应和信号 干扰，从而优化版图设计。
VS
效率
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。
Spice的元器件模型参数解释课件
Spice的元器件模型参数解释课件
二极管模型参数表
Spice的元器件模型参数解释课件
二极管模型等效电路
Spice的元器件模型参数解释课件
BJT管模型参数表
Spice的元器件模型参数解释课件
BJT管模型参数表(续)
Spice的元器件模型参数解释课件
BJT管模型等效电路
Spice的元器件模型参数解释课件
砷化镓场效应晶体管模型参数表(续)
Spice的元器件模型参数解释课件
MOS管模型参数表
Spice的元器件模型参数解释课件
MOS管模型参数表(续)
Spice的元器件模型参数解释课件
结型场效应晶体管模型参数表
Spice的元器件模型参数解释课件源自结型场效应晶体管模型等效电路
Spice的元器件模型参数解释课件
砷化镓场效应晶体管模型参数表
Spice的元器件模型参数解释课件
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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。
7.1 N模型：数字输入N模型将逻辑状态（1 0 X Z）转换成相对应的电压、阻抗。
数字模拟器的N模型语句：N <name> <(interface)node> <(low level)node> <(high level)node> <(model)name>+DGTLNET=<(digital net)name> <(digital IO model)name> [IS=(initial state)]数字文件的N模型语句：N <name> <(interface)node> <(low level)node> <(high level)node> <(model)name>+[SIGNAME=<(digital signal)name> [IS=(initial state)] 模型语句： .MODEL <(model)name> DINPUT [(模型参数)]模型参数表：7.2 O模型：将模拟电压转换为逻辑状态（1 0 X Z），形成逻辑器件的输入级。
节点状态由接口节点和参考节点之间的电压值决定，将该电压值与当前电压序列进行比较，如果落在当前电压序列中，则新状态与原状态相同；如果不在当前电压序列中，则从S0NAME开始检查，第一个含有该电压值的电压序列可确定为新状态。
如果没有电压序列包含这个电压值，则新状态为？（状态未知）。
数字模拟器的O模型语句：O <name> <(interface)node> <node> <(model)name>+DGTLNET=<(digital net)name> <(digital IO model)name> 数字文件的O模型语句：O <name> <(interface)node> <node> <(model)name>+[SIGNAME=<(digital signal)name>模型语句： .MODEL <(model)name> DOUTPUT [(模型参数)]模型参数表：八、数学宏模型：作为电路功能块或实验仪器插入电路系统中，代替或模拟电路系统的部分功能，有24种8.1 电压加法器：8.2 电压乘法器：8.3 电压除法器：8.4 电压平方：基本运算方程：8.5 理想变压器：8.6 电压求平方根：方程8.7 三角波/正弦波转换器：三角波峰-峰值为2V，其中C=PI/28.8 电压相移：8.9 电压积分器：8.10 电压微分器：8.11 电压绝对值：（略）8.12 电压峰值探测器：（略）8.13 频率乘法器：8.14 频率除法器：8.15 频率加法器/减法器：8.16 相位探测器：8.17 传输线：模拟信号延迟（略）8.18 施密特触发器：为避免不收敛，不使用DC扫描，将模型中加入PWL源，产生缓变上升/下降斜波，与瞬态分析效果相同8.19 电压取样-保持电路：（略）8.20 脉冲宽度调制器：（略）8.21 电压幅度调制器：（略）8.22 电压对数放大器：（略）8.23 N次根提取电路：8.24 拉氏变换：（略）九、系统方程宏模型：可作为功能块代替某些未知的电路或不需要分析的电路，插入电路中，使电路系统的分析变得简单明了。
9.1 积分器子电路：作为求解微分方程组的基本运算部件，可在10MHz下工作子电路描述文件：* Integrator Subcircuit. Subckt int 1 2Gi 0 2 1 0 1uCi 2 0 1ufRo 2 0 1000MEG.ENDS INT9.2 电感型微分电路：受控源G的控制电压为Vin，输出电流i9.3 电容型微分电路：9.4 网络函数的SPICE模型：高阶网络函数可分解为几个较简单的一阶、二阶函数，用级联和耦合结构来实现十、非线性器件的模型：10.1 电容型传感器：检测元件是非线性电容10.2 光敏电阻：时变电阻10.3 变容二极管：压控电容。