第6章集成无源器件版图设计.ppt

1 第6章集成无源器件版图设计 6 1引言6 2薄层集成电阻器6 3有源电阻6 4集成电容器6 5电感6 6互连线6 7传输线 2 6 1引言 集成电路可以认为是由元器件组成的 元器件可以分为无源的和有源的两类 集成电路中的无源元件包括电阻 电容 电感 互连线 传输线等 有源器件就是各类晶体管 本章我们将重点给出集成元器件版图常见图形及设计原则 3 6 2集成电阻器 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 4 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上 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 特点 较高的精度 较低温度系数和较大电流承载能力 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 5 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 正是利用掺杂半导体所具有的电阻特性 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 特点 工艺简单 兼容性好 但精度稍差 离子注入方式形成的电阻的阻值容易控制 精度较高 6 薄层电阻的几何图形设计 常用的薄层电阻图形 7 薄层电阻图形尺寸的计算 方块电阻的几何图形 R 8 0 5 1 0 mMOS工艺中作为导电层的典型的薄层方块电阻阻值 单位 口 9 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 10 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 11 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 12 6 3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 13 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 14 6 4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 15 6 4 1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 16 平板电容 电容模型等效电路 固有的自频率 实际中让电容工作在 0 3以下 17 6 4 2金属叉指结构电容 优点 不需额外工艺两条金属连线之间的电容可认为是叉指电容特例 18 6 4 3PN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 因而 结电容的品质因数通常比较低 结电容的参数可以采用二极管和晶体管结电容同样的方法进行计算 电容值依赖于结面积 例如 二极管和晶体管的尺寸 PN结电容的SPICE模型就直接运用相关二极管或三极管器件的模型 19 6 4 4MOS结构电容 与平板电容和PN结电容都不相同 MOS核心部分 即金属 氧化物 半导体层结构的电容具有独特的性质 它的电容 电压特性取决于半导体表面的状态 随着栅极电压的变化 表面可处于 积累区 耗尽区 反型区 20 MOS结构电容 MOS电容 a 物理结构 b 电容与Vgs的函数关系 21 MOS结构电容 MOS动态栅极电容与栅极电压的函数关系 22 6 5电感 6 5 1集总电感集总电感可以有下列两种形式 单匝线圈 多匝螺旋型线圈 多匝直角型线圈 23 硅衬底上电感的射频双端口等效电路 24 6 5 2传输线电感 单端口电感的另一种方法是使用长度l 4波长的短路传输线 微带或共面波导 或使用长度在 4 l 2范围内的开路传输线 两种传输线类型的电感值计算如下 当l l时 对应于短路传输线 当l l 4时 对应于开路传输线 开路传输线的好处 其长度能通过切割来调整 由传输线构成的电感优点 电感值能够精确计算 25 6 6互连线 对于各种互连线设计 应该注意以下方面 为减少信号或电源引起的损耗及减少芯片面积 连线尽量短 为提高集成度 在传输电流非常微弱时 如MOS栅极 大多数互连线应以制造工艺提供的最小宽度来布线 在连接线传输大电流时 应估计其电流容量并保留足够裕量 制造工艺提供的多层金属能有效地提高集成度 在微波和毫米波范围 应注意互连线的趋肤效应和寄生参数 某些情况下 可有目的地利用互连线的寄生效应 26 6 7传输线 6 7 1集总元件与分布元件随着工作频率的提高 使得一些诸如互连线的IC元件的尺寸与传输信号的波长可相比 这时集总元件模型就不能有效描述描述那些大尺寸元件的性能 应定义为分布元件 IC设计中的分布元件主要包括 微带线和共面波导 传输线主要功能 传输信号和构成电路元件 27 6 7传输线 典型微带线的剖面图 6 7 2微带线 Micro strip 在一片介质薄板两面形成的两条平行带状导线 微带线设计需要的电参数主要是 阻抗 衰减 无载Q 波长 迟延常数 使用芯片微带线优点是 有大量的理论分析结果 技术已经成熟 28 6 7 3共面波导 共面波导由中间金属带和作为地平面的两边的金属带构成 常规共面波导双线共面波导 29 共面波导 相对于微带线 CPW的优点是 工艺简单 费用低