第3章、集成电路器件模型讲解

外电极到结的路径上通常是半导体材料的电阻，称之为体
电阻。
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二极管模型参数
参数名 饱和电流 发射系数 串联体电阻 渡越时间 零偏势垒电容 梯度因子 PN结内建势垒 符号 IS n RS Spice名 IS N RS TT CJ0 M VJ 单位 A s F V 缺省值 1.0×10-14 1 0 0 0 0.5 1
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E
EM直流模型
NPN
EM2模型
I B IC I E 0 VCE VBE VBC
VBE Vt
I C I S (e IE IS
1)
VBE Vt
R
IS
(e
VBC Vt
1) 1)
F
(e
1) I S (e
VBC Vt
EM大信号模型
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EM小信号等效电路
4
一、二极管模型
集成电路和半导体器件的各类特性都是 PN结相互作用的结果，它是微电子器件 的基础。 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。 以PN结构成的二极管最基本的电学行为 是具有单向导电性。
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二极管等效电路模型
+V RS + VD ID Cj Cd
集成电路设计
第三章 集成电路器件模型
1 2
无源器件模型
二极管模型
双极型晶体管模型 MOS晶体管模型
3
4 5
JFET模型、 MESFET模型 噪声模型
2
6
器件模型
电路中的有源器件用模型描述该器件的特性。 器件模型是根据器件的端电压和端电流的关系 ，利用数学方程、等效电路以及工艺数据拟合 等方法来描述器件的功能和性能，是集成电路 设计中对器件功能和性能进行模拟验证的重要 依据。 电路模拟结果是否符合实际情况，主要取决于 器件模型是否正确，特别是采用的模型参数是 否真正代表实际器件的特性。 不同的电路模拟软件中采用的模型不完全相同 ，模型参数的名称和个数也不尽相同。
I EQ dI E gmR dVBC Vt VCE r r0 0 I B
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双极型体管GP模型
13
双极型晶体管GP模型
与EM模型相比，GP模型增加以下几个物理效应： 1. 小电流时β值下降 2. 大注入效应，改善了高电平下的伏安特性 3. 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 4. 发射系数的影响 5. 基极电阻随电流变化 6. 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。 7. 模型参数和温度的关系。 8. 根据横向和纵向双极晶体管的不同，外延层电荷存储引 起的准饱和效应。
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GP直流模型
C
rC
C
I LC
B
rBB
I LE
I EC
B
'
R
I CC
I CT I CC I EC
F
E
rE
E
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GP大信号模型
GP大信号模型与EM大信号模型类似， 引入修正内容：
集电结电容分布特性：划分为两个电容 渡越时间随偏置的变化：大电流时 τF不再是
常数
基区中的分布现象
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GP小信号模型
C jx
+
rB B
B
V
GP小信号模
-
r
C
rc
C CJS
型与EM小信
号模型十分一
B
+
V
C
r
C
E
go
rE E
( g mFV g mRV )
致，只是参数
的值不同。
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双极型晶体管SPICE模型参数
参数名 饱和电流 公式中符号 SPICE中符号 单位 IS IS A SPICE默认值 10－16
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器件模型越精确，电路模拟效果越好，但是计 算量也越大，因此应折衷考虑。对同一种器件 ，往往提出几种模型。 学习中应该掌握模型参数的含义，特别应注意 每个模型参数的作用特点，即在不同的电路特 性分析中必需考虑哪些模型参数。每个模型参 数均有内定值。除了描述基本直流模型的几个 参数外，其他模型参数如果采用内定值，相当 于不考虑相应的效应。 如果采用模拟软件附带的模型参数库，当然不 存在任何问题。如果采用模型参数库中未包括 的器件，如何比较精确地确定该器件的模型参 数将是影响电路模拟结果的关键问题。
D
Cj0 m V0
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二、双极晶体管模型
SPICE中的双极型晶体管常用两种物理 模型，两种模型参数能较好地反映物理 本质且易于测量。 EM （Ebers-Moll）模型：1954年由 J.J.Ebers和J.L.Moll提出。 GP （ Gummel-Poon）模型： 1970年由 H．K．Gummel和H．C．Poon提出。
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
αF
αR VAF VAR
BF
BR VAF VAR MJE MJC MJS VJE VJC VJS
－
－ V V － － － V V V
100
1 ∞ ∞ 0.33 0.33 0.0 0.75 0.75 0.75
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VD V I D RS
VD C j C j0 1 V 0
m
VD n V t I D IS e 1
Vt
kT q
_
Cd
dQ τ dVD
D
dID τ D I D dVD n Vt
Cj和Cd分别代表PN结的势垒电容和扩散电容。 RS代表从
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双极型晶体管EM模型
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EM模型
c
IC αFIF
• 将电流增益作为频率的函数来 处理，对计算晶体管存贮效应 和瞬态特性不方便。 • 改进的 EM 模型采用电荷控制
IB
VBC +
IR
B
+ VBE IE IF αRIR
观点，增加电容到模型中。
• 进一步考虑到发射极、基极和 集电极串联电阻，以及集成电 路中集电结对衬底的电容，于 是得到EM2模型。
r
B
基区宽度调制效 应参数欧拉电压
r
0
g mF
rBB
+
C
B
+
V
-
Байду номын сангаас
C
rc
C ro CCS
V
-
r
C
( g mFV g mRV )
E
VCE 1 ro IC gmF 1 kT VV qVAF t AF
rE E
gmF
dI C dVBE
Q

I CQ Vt