第四章_集成电路导线

t ox
w l C sub C1 2
Cp N w
2
传输线电感
单端口电感的另一种方法是使用长度l<l/4波长的 短电传输线(微带或共面波导)或使用长度在l/4< l<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：
L
2 Z 0

tanh l
'
2 Z 0
MOS结构电容
a a + + + + + + + + + 1.0 Co 沟道 Cdep 沟道 耗尽层 p型衬底 Vss Vss （a） （b） Vgs d tox Cgb Co 0.2 积累区 耗尽区 反型区
MOS电容 (a)物理结构 (b)电容与Vgs的函数关系
MOS结构电容
Cox Cox Í µ µ Æ
CSi C ox ß µ ¸ Æ CSi C ox
0
VT
Vgs
MOS动态栅极电容与栅极电压的函数关系
电感



在集成电路开始出现很长一段时间内， 人们一直认为电感不能集成到芯片上 现在情况不同，集成电路的速度越来越 快，芯片上金属结构的电感效应越来越 明显，芯片电感的实现成为可能 半绝缘GaAs衬底、高阻Si衬底、挖去衬 底的空气桥形金属结构使电感获得有用 的品质因素
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
硅衬底上电感的射频双端口等效电路：
Cp Rs Cox/2 R1 C1 Ls Cox/2 R1 C1
l Rs w 1 e t /


2 R1 w l G sub

2
0
ox
电阻
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。
无源电阻
合金薄膜电阻 采用一些合金材料沉积在二氧化硅或其它介电材
料表面，通过光刻形成电阻条。常用的合金材料有： （1）钽（Ta）； 多晶硅薄膜电阻 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。 （2）镍铬（Ni-Cr）；
分布元件


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-Plane Wave Guide）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。
微带线
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。
互连线设计中应注意的事项
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。
互连线设计中应注意的事项
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。
电感

集成电路的电感影响包括振荡和过冲效应、由于阻抗失配引 起的信号反射、在导线间的电感耦合以及电压降引起的开关 噪声。
通过电感的电流变化产生如下的电压降：
例4.4
半导体导线的电感
导线模型

集总模型（Lumped Model）
把分布的电容集总为单个电容，导线仍表示为一个等势区，因而导线本身并不 引入任何延时，对于性能的唯一影响是由电容对于驱动门的负载效应引起。

2

MIM电容
电容模型等效电路：
固有的自频率：
f0
1 2 LC
金属叉指结构电容
MOS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
各类晶体管
寄生参数（电容、电阻、电感）对 集成电路的特性影响

都会使传播延时增加，相应性能下降。 都会影响能耗和功率的分布。 都会引起额外的噪声来源，影响集成电 路的可靠性。
举例
互连参数-电容
总电容:
边缘场电容
电阻
矩形导体的电阻可以定义为：
对给定工艺H是一个常数，电阻可以定义为：
集总RC模型
例4.6
树结构网络的RC延时
梯形链网络的Elmore延时：
结 论：
分布rc线
例4.8
铝线的RC延时
经验规则
例4.9
RC与集总C
传输线
波的传播方程：
传输线
在集成电路中传输线的电阻不能忽略，因此应当考虑一个较为复杂的模 型，称为有损传输线。
无损传输线
波是如何进行无损传输线传播？
第四章
导线
§4.1 §4.2 §4.3 §4.4
确定并定量化互连参数 介绍互连线的电路模型 导线的SPICE细节模型 工艺尺寸缩小及它对互连的影响
引言
集成电路可以认为是由元器件组成的。元器 件可以分为两大类：
△无源器件 △有源器件
■ 无源元件包括电阻、电容、电感、互连线、
传输线等。
■ 有源元件包括二极管、三极管、CMOS管等
有源电阻
I D + V S I IDS I O G S + V D (b) VGS V VTP
G
O
I IDS
VTN V (a)
VGS
MOS有源电阻及其I-V曲线
2t ox L V V 直流电阻： Ron︱VGS=V ＝ I n ox W (V VTN ) 2
交流电阻：
rds
VDS I DS
高的集成度和更小的芯片尺寸。
比金属孔有更低的接地电感。
低的阻抗和速度色散。
共面波导
CPW的缺点是：
★衰减相对高一些。
★由于厚的介质层，导热能力差，不利于
大功率放大器的实现。
§7.2 二极管及其SPICE模型
端电压V与结电压VD的关系是：
VD V I D RS
其中
VD nVt I D IS e 1
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：
s n n+
n型外延层
a p
b
a R
b
a R
b
Cb 2
n s （b）
n
Cb 2
p （a）
Csub s （c）
有源电阻


有源电阻是指采用晶体管进行适当的连 接并使其工作在一定的状态，利用它的 直流导通电阻和交流电阻作为电路中的 电阻元件使用。 双极型晶体管和MOS晶体管可以担当有 源电阻。
Cj0 m
PN结内建势垒
V0
VJ
V
1
器件的电子噪声


所谓电子噪声是指电子线路中某些元器 件产生随机起伏的电信号。这些信号一 般是与电子（或其它载流子）的电扰动 相联系的。 一般包括：热噪声（白噪声）和半导体 噪声。半导体噪声包括散弹噪声、分配 噪声、闪烁噪声（1/f噪声）和场效应管 噪声。
例4.5 导线的集总电容模型
在图4.11的电路中，假设电源内阻为10KΩ的一个驱动器， 用来驱动一条10cm、1μm宽的AL1导线。在例4.1中，这条 导线总的集总电容等于11pF.
当外加一个阶跃输入（Vin 从0至 V）时，这一电路的过渡响应已知为一个指数函 数并可用下式表示：
解决方法：降低驱动器的电源内阻。
际电路设计中需借助SPICE等模拟工具来大致确定击穿电压值。
二极管模型参数对照表
参数名 饱和电流 发射系数 公式中符号 SPICE中符号 IS N 单 位 A SPICE中默认值 1.0E-14 1
IS n
串联体电阻
渡越时间 零偏势垒电容 梯度因子
RS
τ
T
RS
TT CJ0 M
Ω
Sec F -
0
0 0 0.5
电容
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
利用二极管和三极管的结电容 MOS电容
MIM电容
制作在砷化镓半绝缘衬底上的MIM电容结构：
C
r o lw
d
考虑温度系数时，电容的计算式为：
C Cox A 1 TC1t emp t nom TC 2t emp t nom
+V RS + VD ID Cj Cd
高频下：
V C j C j0 1 D 势垒电容Cj： V 0
m
_
二极管等效电路模型
dI D τT I D dQ C τT 扩散电容Cd： d dVD dVD n Vt
二极管参数
二极管在反向偏压很大时会发生击穿。专门设计在击穿状态下工作的 二极管称为齐纳二极管。但二极管的电流电压方程没有预示这种击穿，实
有损传输线
经验设计规则
当输入信号的上升或下降（tr , tf）时间小于传输线的飞行时间 （tflight）时应考虑传输线效应；
对于最长为1cm的芯片上导线，只需在tr<150ps时关注传输线效应。
传输线效应只有当导线的总电阻比较小时需考虑。如果不是， 可开用分布RC模型。
以上两个约束条件合成的导线长度的界定： 当总电阻比特征阻抗小很多时，传输线可以考虑为无损。