集成电路中的无源元件课件

第3章集成电路中的无源元件元器件可以分为两大类：

电容电感互连线传输线电阻有源器件:各类晶体管

无源器件:

§3.1集成电阻器§3.2集成电容器§3.3电感6/7/20231§3.1集成电阻器基区扩散电阻低阻类电阻发射区扩散电阻高阻类电阻基区沟道电阻高精度电阻离子注入电阻6/7/202323.1.1基区扩散电阻R+R-VccLW6/7/20233薄层电阻图形尺寸的计算方块电阻的几何图形＝R□·

6/7/20234薄层电阻的几何图形设计常用的薄层电阻图形6/7/20235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6/7/20236WsWeffW图3.4基区扩散电阻的横截面基区扩散的横截面6/7/202373.1.2发射区扩散电阻WLRRXjE6/7/20238发射区扩散电阻作磷桥BACDADB6/7/20239基区沟道电阻结构示意图R-VccLWR+6/7/202310硼离子注入电阻结构示意图R+R-VccP型扩散区LW6/7/202311多晶硅电阻WLeffLLd6/7/202312材料最小值典型值最大值互连金属0.050.070.1顶层金属0.030.040.05多晶硅152030硅-金属氧化物236扩散层1025100硅氧化物扩散2410N阱（或P阱）1k2k5k

0.5-1.0mMOS工艺中作为导电层的典型的薄层电阻阻值单位:Ω/口6/7/202313

3.2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6/7/202314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：6/7/202315平板电容电容模型等效电路：固有的自频率：6/7/202316金属叉指结构电容6/7/202317PN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。结电容的参数可采用二极管和晶体管结电容同样的方法进行计算。6/7/202318PN结电容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。6/7/202319MOS结构电容平板电容和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6/7/202320MOS结构电容MOS电容(a)物理结构(b)电容与Vgs的函数关系6/7/202321MOS结构电容MOS动态栅极电容与栅极电压的函数关系6/7/202322

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6/7/202323§3.3 互连线互连线是各种分立和集成电路的基本元件。有不少人对这一概念不甚明确。互连线的版图设计是集成电路设计中的基本任务，在专门门阵列设计电路中甚至是唯一的任务。6/7/202324互连线设计中应注意的事项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。为了保证模型的精确性和信号的完整性，需要对互连线的版图结构加以约束和进行规整。6/7/202325深亚微米阶段的互连线技术CMOS工艺发展到深亚微米阶段后，互连线的延迟已经超过逻辑门的延迟，成为时序分析的重要组成部分。这时应采用链状RC网络、RLC网络或进一步采用传输线来模拟互连线。6/7/202326§6.7传输线集总元件由于尺寸的小型化，几乎所有集成电路的有源元件都可认为是集总元件。前面讨论的无源元件也可作为集总元件来处理。6/7/202327分布元件随着工作频率的增加，使得一些诸如互连线的IC元件的尺寸可以与传输信号的波长相比。这时，集总元件模型就不能有效地描述那些大尺寸元件的性能，应该定义为分布元件。6/7/202328集成电路的传输线集成电路设计中的分布元件主要包括微带（Micro-strip）型和共面波导（CPW:Co-PlaneWaveGuide）型的传输线。集成电路中的传输线主要有两个功能：传输信号和构成电路元件。6/7/202329微带线

典型微带线的剖面图

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。6/7/202330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6/7/202331共面波导

相对于微带线，CPW的优点是：工艺简单，费用低，因为所有接地线均在上表面而不需接触孔。在相邻的CPW之间有更好的屏蔽，因此有更高的集成度和更小的芯片尺寸。比金属