集成電路中的無源元件課件

第3章集成電路中的無源元件元器件可以分為兩大類：

電容電感互連線傳輸線電阻有源器件:各類晶體管

無源器件:

§3.1集成電阻器§3.2集成電容器§3.3電感9/1/20231第3章集成電路中的無源元件元器件可以分為兩大類：§3.1集成電阻器基區(qū)擴散電阻低阻類電阻發(fā)射區(qū)擴散電阻高阻類電阻基區(qū)溝道電阻高精度電阻離子注入電阻9/1/20232§3.1集成電阻器基區(qū)擴散電阻8/2/202323.1.1基區(qū)擴散電阻R+R-VccLW9/1/202333.1.1基區(qū)擴散電阻R+R-VccLW8/2/20233薄層電阻圖形尺寸的計算方塊電阻的幾何圖形＝R□·

9/1/20234薄層電阻圖形尺寸的計算方塊電阻的幾何圖形＝R□·8/2/薄層電阻的幾何圖形設計常用的薄層電阻圖形9/1/20235薄層電阻的幾何圖形設計常用的薄層電阻圖形8/2/20235薄層電阻端頭和拐角修正不同電阻條寬和端頭形狀的端頭修正因子9/1/20236薄層電阻端頭和拐角修正不同電阻條寬和端頭形狀的端頭修正因子WsWeffW圖3.4基區(qū)擴散電阻的橫截面基區(qū)擴散的橫截面9/1/20237WsWeffW圖3.4基區(qū)擴散電阻的橫截面基區(qū)擴散的橫截面83.1.2發(fā)射區(qū)擴散電阻WLRRXjE9/1/202383.1.2發(fā)射區(qū)擴散電阻WLRRXjE8/2/20238發(fā)射區(qū)擴散電阻作磷橋BACDADB9/1/20239發(fā)射區(qū)擴散電阻作磷橋BACDADB8/2/20239基區(qū)溝道電阻結構示意圖R-VccLWR+9/1/202310基區(qū)溝道電阻結構示意圖R-VccLWR+8/2/202310硼離子注入電阻結構示意圖R+R-VccP型擴散區(qū)LW9/1/202311硼離子注入電阻結構示意圖R+R-VccP型擴散區(qū)LW8/2/多晶硅電阻WLeffLLd9/1/202312多晶硅電阻WLeffLLd8/2/202312材料最小值典型值最大值互連金屬0.050.070.1頂層金屬0.030.040.05多晶硅152030硅-金屬氧化物236擴散層1025100硅氧化物擴散2410N阱（或P阱）1k2k5k0.5-1.0

mMOS工藝中作為導電層的典型的薄層電阻阻值單位:Ω/口9/1/202313材料最小值典型值最大值互連金屬0.050.070.1頂層金屬3.2集成電容器在集成電路中，有多種電容結構：金屬-絕緣體-金屬(MIM)結構多晶硅/金屬-絕緣體-多晶硅結構金屬叉指結構PN結電容MOS電容9/1/2023143.2集成電容器在集成電路中，有多種電容結構：平板電容制作在砷化鎵半絕緣襯底上的MIM電容結構：考慮溫度系數時，電容的計算式為：9/1/202315平板電容制作在砷化鎵半絕緣襯底上的MIM電容結構：平板電容電容模型等效電路：固有的自頻率：9/1/202316平板電容電容模型等效電路：固有的自頻率：8/2/2023金屬叉指結構電容9/1/202317金屬叉指結構電容8/2/202317PN結電容

突變PN結電容計算公式：任何pn結都有漏電流和從結面到金屬連線的體電阻，結電容的品質因數通常比較低。結電容的參數可采用二極管和晶體管結電容同樣的方法進行計算。9/1/202318PN結電容突變PN結電容計算公式：任何pn結都有漏電PN結電容電容值依賴于結面積，例如二極管和晶體管的尺寸。PN結電容的SPICE模型就直接運用相關二極管或三極管器件的模型。9/1/202319PN結電容電容值依賴于結面積，例如二極管和晶體管的尺寸。8/MOS結構電容平板電容和PN結電容都不相同，MOS核心部分，即金屬-氧化物-半導體層結構的電容具有獨特的性質。它的電容-電壓特性取決于半導體表面的狀態(tài)。隨著柵極電壓的變化，表面可處于：積累區(qū)耗盡區(qū)反型區(qū)9/1/202320MOS結構電容平板電容和PN結電容都不相同，MOS核心部分，MOS結構電容MOS電容(a)物理結構(b)電容與Vgs的函數關系9/1/202321MOS結構電容MOS電容(a)物理結構(b)電容與VMOS結構電容MOS動態(tài)柵極電容與柵極電壓的函數關系9/1/202322MOS結構電容MOS動態(tài)柵極電容與柵極電壓的函數關系8/2

電感集總電感可以有下列兩種形式：單匝線圈多匝螺旋型線圈多匝直角型線圈9/1/202323電感集總電感可以有下列兩種形式：單匝線圈多匝螺旋型§3.3 互連線互連線是各種分立和集成電路的基本元件。有不少人對這一概念不甚明確?；ミB線的版圖設計是集成電路設計中的基本任務，在專門門陣列設計電路中甚至是唯一的任務。9/1/202324§3.3 互連線互連線是各種分立和集成電路的基本元件。有互連線設計中應注意的事項為減少信號或電源引起的損耗及減少芯片面積，連線盡量短。為提高集成度，在傳輸電流非常微弱時(如MOS柵極)，大多數互連線應以制造工藝提供的最小寬度來布線。在連接線傳輸大電流時，應估計其電流容量并保留足夠裕量。制造工藝提供的多層金屬能有效地提高集成度。在微波和毫米波范圍，應注意互連線的趨膚效應和寄生參數。某些情況下，可有目的地利用互連線的寄生效應。為了保證模型的精確性和信號的完整性，需要對互連線的版圖結構加以約束和進行規(guī)整。9/1/202325互連線設計中應注意的事項為減少信號或電源引起的損耗及減少芯深亞微米階段的互連線技術CMOS工藝發(fā)展到深亞微米階段后，互連線的延遲已經超過邏輯門的延遲，成為時序分析的重要組成部分。這時應采用鏈狀RC網絡、RLC網絡或進一步采用傳輸線來模擬互連線。9/1/202326深亞微米階段的互連線技術CMOS工藝發(fā)展到深亞微米階段后，互§6.7傳輸線集總元件由于尺寸的小型化，幾乎所有集成電路的有源元件都可認為是集總元件。前面討論的無源元件也可作為集總元件來處理。9/1/202327§6.7傳輸線集總元件8/2/202327分布元件隨著工作頻率的增加，使得一些諸如互連線的IC元件的尺寸可以與傳輸信號的波長相比。這時，集總元件模型就不能有效地描述那些大尺寸元件的性能，應該定義為分布元件。9/1/202328分布元件隨著工作頻率的增加，使得一些諸如互連線的IC元件的尺集成電路的傳輸線集成電路設計中的分布元件主要包括微帶（Micro-strip）型和共面波導（CPW:Co-PlaneWaveGuide）型的傳輸線。集成電路中的傳輸線主要有兩個功能：傳輸信號和構成電路元件。9/1/202329集成電路的傳輸線集成電路設計中的分布元件主要包括微帶（Mic微帶線

典型微帶線的剖面圖

微帶線(Micro-strip)

在一片介質薄板兩面形成的兩條平行帶狀導線。微帶線設計需要的電參數主要是：阻抗、衰減、無載Q、波長、遲延常數。9/1/202330微帶線典型微帶線的剖面圖微帶線(Micro共面波導

共面波導由中間金屬帶和作為地平面的兩邊的金屬帶構成。

常規(guī)共面波導9/1/202331共面波導共面波導由中間金屬帶和作為地平面的兩邊的金屬共面波導

相對于微帶線，CPW的優(yōu)點是：工藝簡單，費用低，因為所有接地線均在上表面而不需接觸孔。在相鄰的CPW之間有更好的屏蔽，因此有更高的集成度和更小的芯片尺寸。比金屬孔有更低的接地電感。