集成电路器件及SPICE模型

2 Z 0 2 Z 0 ' ' ' L tanh l tan l Z 0 2 l / c0
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l ' / 4
短路负载：
Z (l ) jZ 0tgl
开路负载：
z jz0ctgl
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双端口电感与键合线电感
6.1.5 分布参数元件
1. 集总元件和分布元件
a，w 取微米单位 单匝线圈版图
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多匝螺旋形线圈电感值计算公式为：
(ro ri ) 2 N 2 L[ pH ] 25.4(60ro 28ri )
式中：ri=螺旋的内半径，微米， r0=螺旋的外半径，微米， N=匝数。
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电感
电感精度：电感模型
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传输线电感 获得单端口电感的另一种方法是使用长度L<l/4λ 波长的短电传输线(微带或共面波导)或使用长度在 l/4λ< l<l/2λ范围内的开路传输线。
直流电阻 Ron<交流电阻 rds
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对于理想情况，Oˊ点的交流电阻应为无穷 大，实际上因为沟道长度调制效应，交流电 阻为一个有限值，但远大于在该工作点上的 直流电阻。在这个工作区域，当漏源电压变 化时，只要器件仍工作在饱和区，它所表现 出来的交流电阻几乎不变，直流电阻则将随 着漏源电压变大而变大。
6.1 无源器件结构及模型
集成电路中的无源元件包括:
互连线、电阻、电容、电感、传输线等
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6.1.1 互连线
在集成电路的衬底上，互连线大多数是由金 属薄层形成的条带。

互连线设计应该注意以下方面： 1. 大多数连线应该尽量短 ，减少损耗； 2. 传输微弱电流时，采用最小宽度，提高集成 度； 3.传输大电流时，保留足够的电流裕量； 4. 多层金属能有效提高集成度 ； 5. 趋肤效应和寄生参数（微波和毫米波） 6. 防止或利用寄生效应 ；

随着工作频率的增加，一些诸如互连线的IC 元件的尺寸变得很大，以致它们可以与传输 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。
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2. 微带线
微带线是一根带状导线(信号线)，与地平面之间用一种 电介质隔离开。如果线的厚度、宽度以及与地平面之间的距 离是可控制的，则它的特性阻抗也是可以控制的。
I D + V S I IDS O G I S + V D VGS V VTP
G
O (b) PMOS
I IDS
VTN V (a) NMOS
VGS
图6.2
Ron
栅漏短接的MOS有源电阻及其I-V曲线
VGS

2t V L V ox I n ox W (V VTN )2
直流电阻 Ron>交流电阻 rds

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图6.5 (a)叉指结构电容 (b)MIM 结构电容
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电容

平板电容公式

d 高频等效模型:并联G、串联L和R。
自谐振频率 f0
f0 1 2 LC
C
r 0lw
f < f0 / 3

品质因数 Q
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6.1.4 电感
引言 集总电感
L 1.26a[ln(8a / w) 2 （ ] pH）
ZL 60
reff
8h w ln w 4h
ZL
120
w/h<1
w h h reff 2.42 0.44 1 h w w
6


w/h>1

微带线的衰减α由两部分组成：导线损耗和 介质损耗 形成微带线的基本条件是，介质衬底的背面 应该完全被低欧姆金属覆盖并接地，从而使 行波的电场主要集中在微带线下面的介质中。
图6.11
(a)典型微带线的剖面图
(b)覆盖钝化膜的微带线
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TEM波(电磁波的电场和磁场都在垂直于 传播方向的平面上 ) 传输线的条件
w, h 0 /(40 r )
1/ 2
GaAs衬底的厚度<200um
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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。 阻抗计算
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图6.3 复杂互连线的寄生电容
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6.1.2 电阻

实现电阻有四种方式：
1.晶体管结构中不同材料层的片式电阻（不准 确） 2.专门加工制造的高质量高精度电阻（薄膜电 阻）
6
3.互连线的传导电阻 （阻值低）
• 阻值计算
• 最小宽度
图 (a)单线和U-型电阻结构
(b)它们的等效电路
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4. 有源电阻 (1) 栅、漏短接并工作在饱和区的MOS有源电阻
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图6.1 简单长导线的寄生模型
不同材料的串联寄生电阻值不同 : 金属（铜、铝）的典型值为0.05Ω/□; 多晶硅的典型值为10～15Ω/□; 扩散区的典型值为20～30Ω/□;
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图6.2 简单并联寄生电容 单位长度电容计算经验公式：
0.25 0.5 w w w C 0.77 1.06 1.06 h h h
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3. 共面波导(CPW)---微波平面传输线
在介质基片的一个面上制作出中心导体带，并在 紧邻中心导体带的两侧制作出导体平面
图6.12 (a)常规共面波导
(b)双线共面波导
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CPW传输TEM波的条件 CPW的阻抗计算
rds
VDS I DS
VGS V

VGS I DS
VGS V

t 1 L 1 ox g m n ox W (V VTN )
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(2) VGS保持不变的饱和区有源电阻
IDS I
o
Ron rds VGS >VTN
条件：VGS保持不变
o
V
VDS
图6.3 饱和区的NMOS有源电阻示意图
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总结： 有源电阻的几种形式
D VB S (a) (b) S (c) S (d) D D VB D (e) D S S
( a ) ( d ) 和 ( c ) 直流电阻 Ron<交流电阻 rds ( b )和( e ) 直流电阻 Ron>交流电阻 rds
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6.1.3 电容
在高速集成电路中，有多种实现电容的 方法： 1）利用二极管和三极管的结电容； 2）利用图6.5(a)所示的叉指金属结构； 3）利用图6.5(b)所示的金属-绝缘体-金属 (MIM)结构； 4）利用类似于图6.5(b)的多晶硅/金属-绝 缘体-多晶硅结构；