spice模型.ppt

CBC
B rB CBE
C
rC
IBC
βR
IBE
βF
r
B rBB B
C + V -
Cjs
+
C
V r
-
(gmFV-gmRV)
E
IBE-IBC
rE
E
C rC
C
r0
Cjs
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
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
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
g0
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。
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。
C rC
ILC
B
B
rBB ILE
C IEC
βR
ICC
βF
E
rE
E
ICT=ICC-IEC
Cjx
r
B rBB B
C
C
rC C
+ V +
Cjs
V r C
-
(gmFV-gmRV)
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。
❖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。
一、双极型晶体管的EM模型
VBC IB +
B +
VBE -
C IC
IR
IF
IE E
IC

IS

exp
VBE Vt

1

IS
R

exp
VBC Vt
1
aFIF
IE
IS
F

exp
VBE Vt

1

IS

exp
VBC Vt
1
aRIR I B I C I E
二极管的电路模型
+V
VD V ID RS
+
RS
ID

I
S

exp
VD nVt
1
VD -
ID
Cj
Cd
Vt

kT 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

C j01

VD V0

扩散电容Cd计算表达式为：
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。
SPICE中缺省 值
1.0E-14 1 0 0
0
0.5
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：
In2

KF I D AF

1 f
Leabharlann Baidu
2qID
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。
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。
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。
VCE VBE VBC
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。
Cd

dQ dVD
τT
dI D dVD
τT I D
n Vt
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