集成電路中的無源元件

1、2024/3/17,1,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,2024/3/17,2,§ 3.1 集成電阻器,基區(qū)擴(kuò)散電阻低阻類電阻 發(fā)射區(qū)擴(kuò)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

2、,2024/3/17,3,3.1.1基區(qū)擴(kuò)散電阻,,,,,,,,,2024/3/17,4,薄層電阻圖形尺寸的計(jì)算,,方塊電阻的幾何圖形,,＝R□·,,2024/3/17,5,薄層電阻的幾何圖形設(shè)計(jì),,常用的薄層電阻圖形,2024/3/17,6,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,2024/3/17,7,,,,,,,,,,,,,,,,,Ws,Weff,W,圖3.4基區(qū)擴(kuò)散電阻的橫截面,基區(qū)擴(kuò)散的橫截面

3、,,2024/3/17,8,,,,,,,,,,,,,,,3.1.2發(fā)射區(qū)擴(kuò)散電阻,R,R,2024/3/17,9,,,發(fā)射區(qū)擴(kuò)散電阻作磷橋,,,,,,,,,,,,,,,B,A,C,D,A,D,B,,,,2024/3/17,10,基區(qū)溝道電阻結(jié)構(gòu)示意圖,,,,,,,R-,Vcc,,,,,,,,2024/3/17,11,,,,硼離子注入電阻結(jié)構(gòu)示意圖,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,R+,R-,Vcc,,,,,2024/3/17

4、,12,多晶硅電阻,,,,,,,,,,,,,,,,,W,Leff,L,Ld,2024/3/17,13,0.5-1.0?m MOS工藝中作為導(dǎo)電層的典型的薄層電阻阻值,單位:Ω/口,2024/3/17,14,3.2集成電容器,在集成電路中，有多種電容結(jié)構(gòu)：,金屬-絕緣體-金屬(MIM)結(jié)構(gòu),多晶硅/金屬-絕緣體-多晶硅結(jié)構(gòu),金屬叉指結(jié)構(gòu),PN結(jié)電容,MOS電容,2024/3/17,15,平板電容,制作在砷化鎵半絕緣襯底上的MIM電容結(jié)構(gòu)：

5、,,考慮溫度系數(shù)時(shí)，電容的計(jì)算式為：,,2024/3/17,16,平板電容,電容模型等效電路：,,固有的自頻率：,,2024/3/17,17,金屬叉指結(jié)構(gòu)電容,2024/3/17,18,PN結(jié)電容,突變PN結(jié)電容計(jì)算公式：,,任何pn結(jié)都有漏電流和從結(jié)面到金屬連線的體電阻，結(jié)電容的品質(zhì)因數(shù)通常比較低。結(jié)電容的參數(shù)可采用 二極管和晶體管結(jié)電容同樣的方法進(jìn)行計(jì)算。,2024/3/17,19,PN結(jié)電容,電容值依賴于結(jié)面積，例如二極管和晶體

6、管的尺寸。PN結(jié)電容的SPICE模型就直接運(yùn)用相關(guān)二極管或三極管器件的模型。,2024/3/17,20,MOS結(jié)構(gòu)電容,平板電容和PN結(jié)電容都不相同，MOS核心部分，即金屬-氧化物-半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)的電容具有獨(dú)特的性質(zhì)。它的電容-電壓特性取決于半導(dǎo)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),2024/3/17,21,MOS結(jié)構(gòu)電容,,MOS電容　(a)物理結(jié)構(gòu) (b)電容與Vgs的函數(shù)關(guān)系,2024/

7、3/17,22,MOS結(jié)構(gòu)電容,MOS動(dòng)態(tài)柵極電容與柵極電壓的函數(shù)關(guān)系,2024/3/17,23,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,2024/3/17,24,§ 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(duì)這一概念不甚明確。互連線的版圖設(shè)計(jì)是集成電路設(shè)計(jì)中的基本任務(wù)，在專門門陣列設(shè)計(jì)電路中甚至是唯一的任務(wù)。,2024/3/17,25,互連 線設(shè)計(jì)中

8、應(yīng)注意的事項(xiàng),為減少信號(hào)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(shí)(如MOS柵極)，大多數(shù)互連線應(yīng)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(shí)，應(yīng)估計(jì)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(yīng)注意互連線的趨膚效應(yīng)和寄生參數(shù)。某些情況下，可有目的地利用互連線的寄生效應(yīng)。為了保證模型的精確性和信號(hào)的完整性，需要對(duì)互連線的版圖結(jié)構(gòu)加以約束和

9、進(jìn)行規(guī)整。,2024/3/17,26,深亞微米階段的互連線技術(shù),CMOS工藝發(fā)展到深亞微米階段后，互連線的延遲已經(jīng)超過邏輯門的延遲，成為時(shí)序分析的重要組成部分。這時(shí)應(yīng)采用鏈狀RC網(wǎng)絡(luò)、RLC網(wǎng)絡(luò)或進(jìn)一步采用傳輸線來模擬互連線。,2024/3/17,27,§ 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(rèn)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。,2024/3/17,28,分布元

10、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(hào)的波長(zhǎng)相比。這時(shí)，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(yīng)該定義為分布元件。,2024/3/17,29,集成電路的傳輸線,集成電路設(shè)計(jì)中的分布元件主要包括微帶（Micro-strip）型和共面波導(dǎo)（CPW: Co-Plane Wave Guide）型的傳輸線。集成電路中的傳輸線主要有兩個(gè)功能：傳輸信號(hào)和構(gòu)成電路元件。,2024/3/17,30,微

11、帶 線,典型微帶線的剖面圖,微帶線(Micro-strip) 在一片介質(zhì)薄板兩面形成的兩條平行帶狀導(dǎo)線。,微帶線設(shè)計(jì)需要的電參數(shù)主要是： 阻抗、衰減、無載Q、波長(zhǎng)、遲延常數(shù)。,2024/3/17,31,共 面 波 導(dǎo),共面波導(dǎo)由中間金屬帶和作為地平面的兩邊的金屬帶構(gòu)成。,常規(guī)共面波導(dǎo),2024/3/17,32,共 面 波 導(dǎo),相對(duì)于微帶線，CPW的優(yōu)點(diǎn)是：,工藝簡(jiǎn)單，費(fèi)用低，因?yàn)樗薪拥鼐€均在上表面而不需接觸孔