电子科大集成电子学

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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。
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薄层集成电阻器
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）； （2）镍铬（Ni-Cr）； （3）氧化锌SnO2；（4）铬硅氧CrSiO。 多晶硅薄膜电阻
第三章 SPICE中的器件模型
• 集成电路模拟程序SPICE
• SPICE在集成电路的晶体管级模拟方面，成为工 业标准的模拟程序。
• 集成电路设计工程，特别是模拟和模拟数字混合 信号集成电路设计工程师必须掌握SPICE的应用。
• 下面重点给出无源集成元器件的SPICE电路模型 和相应的模型参数。
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• 3.1 对器件模型的要求
• 电路模拟与设计需要建立元器件精确模型。
• 器件模型精度与计算量成反比，应在满足精度要求条件下 采用尽量简单的模型（Compact Model）。
• 除器件模型外，应当使模型各参数有明确物理意义并与器 件结构和工艺参数有直接的联系。
• 器件模型有两种构成方法：一是从工作原理出发，通过数 学推导得出，该方法得出的模型有明确的物理意义；另一 种是把器件当作“黑盒子”，从器件外部特性出发，得出 外部特性数学关系。
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薄层电阻的几何图形设计
金属 扩散区
(a)
(b)
≈≈ ≈≈ ≈≈
(c)
(d)
(e)
常用的薄层电阻图形
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薄层电阻图形尺寸的计算
L
电流方向
W
h
方块电阻的几何图形
R L
hW
＝R□·WL
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0.5-1.0m MOS工艺中作为导电层的典型的薄层电阻阻值
材料 互连金属 顶层金属 多晶硅 硅-金属氧化物 扩散层 硅氧化物扩散 N阱（或P阱）
最小值 0.05 0.03 15 2 10 2 1k
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典型值 0.07 0.04 20 3 25 4
最大值 0.1 0.05 30 6 100 10
2k
5k
单位:Ω/口
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薄层电阻端头和拐角修正
0.8
0.5
5μm
10μm
0.9
0.6
0.9
0.6
0.3
20μm
0.1
0.4
15μm
30μm
~0
0.4
• 双极型晶体管和MOS晶体管可以担当有源 电阻。
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有源电阻
IDS I
I
VGS V VTP
DI
O
S
+
G+
G
V -
V-
O
I
S
Dຫໍສະໝຸດ Baidu
VTN V VGS
IDS
(a)
(b)
MOS有源电阻及其I-V曲线
直流电阻：
Ron︱VGS=V ＝
V 2tox L V
I noxW(VVTN)2
交流电阻： r d s V ID DV G S S V S V ID GV G S S V S g 1 m t n o o x x W L ( V 1 V T)N
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。
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薄层集成电阻器
掺杂半导体电阻 不同掺杂浓度的半导体具有不同的电阻率，利用掺杂半
导体的电阻特性，可以制造电路所需的电阻器。 根据掺杂方式，可分为：
扩散电阻 对半导体进行热扩散掺杂而构成的电阻
离子注入电阻
离子注入方式形成的电阻的阻值容易控制，精度较高。
(4)子电路：在Spice中允许用户将上述三类元件组成的电路定 义为子电路。子电路大小不限，可以嵌套。当电路由多个这 样子电路组成时，这种定义是很方便的。但在实际模拟时， 程序仍然是以上述三类元件为基本单元来计算的。
(5)宏模型：spice中的宏模型包括表格宏模型、数学函数宏模 型和由Spice，已有的各类模型组合起来形成的构造型宏模型。
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有源电阻
饱和区的NMOS有源电阻示意图：
IDS I
Ron
o
rds
VGS >VTN
o
V
VDS
有源电阻的几种形式：
D VB
S (a)
D
S (b)
D
S
VB
S
D
(c)
(d)
S
D (e)
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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
50μm
~0
不同电阻条宽和端头形状的端头修正因子
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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：
TC 1 dR R dT
在SPICE程序中,考虑温度系数时，电阻的计算公式修正为：
R R tn 1 ＋ o T 1 m t e C － t n m ＋ T o 2 （ p t e C m － t n m ） 2 o
• Spice程序所包含的元器件种类如下：
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(1)无源元件：它们是电阻、线性和非线性电容、线性和非线性 电感、互感和磁芯、无损耗传输线、压控开关和流控开关。
(2)半导体器件：它们是半导体二极管、双极型晶体管、结型 场效应晶体管、MOS场效应晶体管、砷化镓场效应管和可控 硅器件等。
(3)电源：它们是独立电压源、独立电流源、四种线性和非线 性受控源(VCVS， VCCS，CCCS，CCVS)。独立源中除了 直流源外还有交流小信号源和瞬态源。
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平板电容
制作在砷化镓半绝缘衬底上的MIM电容结构：
C rolw
d
考虑温度系数时，电容的计算式为：
C C o A x 1 T 1 t e C m t n o T p 2 m t e C m t n2 o pm
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平板电容
电容模型等效电路：
固有的自频率：
f0
2
1 LC
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金属叉指结构电容
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PN结电容
突变PN结电容计算公式：
Cj
C j0 1 VD
0
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。
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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：
s
na
b
a
n+
p
n型外延层
n
p
（a）
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R
s （b）
b
a
b
R
Cb
Cb
n
2
2
Csub s
（c）
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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。