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第三章 SPICE中的器件模型 集成电路模拟程序SPICE SPICE在集成电路的晶体管级模拟方面，成为工业标准的模拟程序。 集成电路设计工程，特别是模拟和模拟数字混合信号集成电路设计工程师必须掌握SPICE的应用。 下面重点给出无源集成元器件的SPICE电路模型和相应的模型参数。 3.1 对器件模型的要求 电路模拟与设计需要建立元器件精确模型。 器件模型精度与计算量成反比，应在满足精度要求条件下采用尽量简单的模型（Compact Model）。 除器件模型外，应当使模型各参数有明确物理意义并与器件结构和工艺参数有直接的联系。 器件模型有两种构成方法：一是从工作原理出发，通过数学推导得出，该方法得出的模型有明确的物理意义；另一种是把器件当作“黑盒子”，从器件外部特性出发，得出外部特性数学关系。 Spice程序所包含的元器件种类如下： (1)无源元件：它们是电阻、线性和非线性电容、线性和非线性电感、互感和磁芯、无损耗传输线、压控开关和流控开关。 (2)半导体器件：它们是半导体二极管、双极型晶体管、结型场效应晶体管、MOS场效应晶体管、砷化镓场效应管和可控硅器件等。 (3)电源：它们是独立电压源、独立电流源、四种线性和非线性受控源(VCVS， VCCS，CCCS，CCVS)。独立源中除了直流源外还有交流小信号源和瞬态源。 (4)子电路：在Spice中允许用户将上述三类元件组成的电路定义为子电路。子电路大小不限，可以嵌套。当电路由多个这样子电路组成时，这种定义是很方便的。但在实际模拟时，程序仍然是以上述三类元件为基本单元来计算的。 (5)宏模型：spice中的宏模型包括表格宏模型、数学函数宏模型和由Spice，已有的各类模型组合起来形成的构造型宏模型。 集成电路中的电阻分为 ： 无源电阻 通常是合金材料或采用掺杂半导体制作的电阻 有源电阻 将晶体管进行适当的连接和偏置，利用晶体管的不同的工作区所表现出来的不同的电阻特性来做电阻。 薄层集成电阻器 合金薄膜电阻 多晶硅薄膜电阻 采用一些合金材料沉积在二氧化硅或其它介电材料表面，通过光刻形成电阻条。常用的合金材料有： （1）钽（Ta）； （2）镍铬（Ni-Cr）； （3）氧化锌SnO2；（4）铬硅氧CrSiO。 掺杂多晶硅薄膜也是一个很好的电阻材料，广泛应用于硅基集成电路的制造。 掺杂半导体电阻 薄层集成电阻器 不同掺杂浓度的半导体具有不同的电阻率，利用掺杂半导体的电阻特性，可以制造电路所需的电阻器。 根据掺杂方式，可分为： 离子注入电阻 扩散电阻 对半导体进行热扩散掺杂而构成的电阻 离子注入方式形成的电阻的阻值容易控制，精度较高。 薄层电阻的几何图形设计 常用的薄层电阻图形 薄层电阻图形尺寸的计算 方块电阻的几何图形 ＝R□· 材料 最小值 典型值 最大值 互连金属 0.05 0.07 0.1 顶层金属 0.03 0.04 0.05 多晶硅 15 20 30 硅-金属氧化物 2 3 6 扩散层 10 25 100 硅氧化物扩散 2 4 10 N阱（或P阱） 1k 2k 5k 0.5-1.0?m MOS工艺中作为导电层的典型的薄层电阻阻值 单位:Ω/口 薄层电阻端头和拐角修正 不同电阻条宽和端头形状的端头修正因子 薄层电阻温度系数 电阻温度系数TC是指温度每升高1℃时，阻值相对变化量： 在SPICE程序中,考虑温度系数时，电阻的计算公式修正为： 薄层电阻射频等效电路 芯片上的薄层电阻的射频双端口等效电路： 衬底电位与分布电容： 有源电阻 有源电阻是指采用晶体管进行适当的连接并使其工作在一定的状态，利用它的直流导通电阻和交流电阻作为电路中的电阻元件使用。 双极型晶体管和MOS晶体管可以担当有源电阻。 有源电阻 MOS有源电阻及其I-V曲线 直流电阻： 交流电阻： Ron︱VGS=V ＝ 有源电阻 有源电阻的几种形式： 饱和区的NMOS有源电阻示意图： 集成电容器 在集成电路中，有多种电容结构： 金属-绝缘体-金属(MIM)结构 多晶硅/金属-绝缘体-多晶硅结构 金属叉指结构 PN结电容 MOS电容 平板电容 制作在砷化镓半绝缘衬底上的MIM电容结构： 考虑温度系数时，电容的计算式为： 平板电容 电容模型等效电路： 固有的自频率： 金属叉指结构电容 PN结电容 突变PN结电容计算公式： 任何pn结都有漏电流和从结面到金属连线的体电阻，结电容的品质因数通常比较低。 结电容的参数