山东大学《集成电路设计基础》课件6

《集成电路设计基础》
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MOS结构电容
Cox
Cox
低频
0
VT
CSi ?Cox 高频 CSi Cox
Vgs
MOS动态栅极电容与栅极电压的函数关系
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§ 6.5 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
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D
S (b)
D
S
VB
S
D
(c)
(d)
S
D (e)
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§ 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
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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）
R
s （b）
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b
a
b
R
Cb
Cb
n
2
2
Csub s
（c）
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§ 6.3 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。
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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 Rtnom 1＋TC1 temp－tnom＋TC 2 （temp－tnom）2
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薄层电阻射频等效电路
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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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以下讨论传输线。
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§ 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。
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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。
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
两种传输线类型的电感值计算 如下：
L 2 Z0
tanh l '
2 Z0
tan l '
Z0 2 l ' / c0
l' / 4
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§ 6.6 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。
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硅衬底上电感的射频双端口等效电路：
Cp
Rs
Ls
Cox/2
Cox/2
R1
C1
R1
C1
Rs
w
l 1
et /
2 R1
w l Gsub
2
0
Cp
N w2 ox
t ox
C1 w l Csub 2
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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。
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。
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互连线
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。
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。 本章我们将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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§ 6.2 薄层集成电阻器
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
积累区 耗尽区 反型区
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MOS结构电容
a
Co 沟道 Cdep
Vss
a +++++++++
沟道 耗尽层
p型衬底
tox d
Vss （a）
积累区 耗尽区
1.0
反型区
Cgb Co
0.2
Vgs （b）
MOS电容 (a)物理结构 (b)电容与Vgs的函数关系
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§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。有源器件就是各类晶体管。
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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。
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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。
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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 Cox A 1TC1 temp tnom TC2 temp tnom 2
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平板电容
电容模型等效电路：
固有的自频率：
1
f0 2 LC
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最大值 0.1 0.05 30 6 100 10 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
wenku.baidu.com
50μm
~0
不同电阻条宽和端头形状的端头修正因子
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常规共面波导
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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。 比金属孔有更低的接地电感。 低的阻抗和速度色散。
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本节结束（1~43）
谢谢！
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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）
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最小值 0.05 0.03 15 2 10 2 1k
典型值 0.07 0.04 20 3 25 4 2k
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。
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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
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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。
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。
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深亚微米阶段的互连线技术
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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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: CoPlane 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。
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
D
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 I
2t ox
n ox
L W
(V
V VTN )2
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PN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。
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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：
交流电阻： rds
VDS I DS
VGS V
VGS I DS
VGS V
1 gm
tox
n ox
L 1 W (V VTN )
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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)
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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。
典型微带线的剖面图
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。
2020/7/29
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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。
《集成电路设计基础》
山东大学 信息学院 刘志军
上次课内容
第5章 集成电路版图设计
5.1 引言 5.2 版图几何设计规则 5.3 电学设计规则 5.4 布线规则 5.5 版图设计及版图验证
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第6章 集成无源器件及SPICE模型
§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
《集成电路设计基础》
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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。
2020/7/29
《集成电路设计基础》
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下次课：第7章 晶体管的SPICE模型
§ 7.1 § 7.2 § 7.3 § 7.4 § 7.5 § 7.6
引言 二极管及其SPICE模型 双极型晶体管及其SPICE模型 MOS场效应管及其SPICE模型 短沟道MOS场效应管BSIM3模型 模型参数提取技术