《集成电路中的元器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《集成电路中的元器（56页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、模拟集成电子学模拟集成电子学 模拟集成电子学模拟集成电子学 第二章集成电路中的元器件 模拟集成电子学模拟集成电子学 目录目录 第二节 集成电路中的二极管、 双极型晶体管、MOSFET 第一节 集成电路中的电容、 电阻和电感 模拟集成电子学模拟集成电子学 第一节第一节 集成电路中的电容、电阻和电感集成电路中的电容、电阻和电感 一.电容（Capacitor） 参数 ： a.电容密度 b.温度系数 c.电压系数 d.绝对精度 e.相对精度 模拟集成电子学模拟集成电子学 第一节第一节 集成电路中的电容、电阻和电感集成电路中的电容、电阻和电感 几种常见电容： 1.PN结电容正偏(扩散电容,势垒电容)，反
2、偏势垒电容。 2.MOS电容通常几fF/um2 3.PIP电容Poly Insulator Poly。 4.MIM电容Metal Insulator Metal。 5. 寄生电容 （MIM电容优于PIP电容） MOS工艺中的PN结电容 不同类型的MOS电容 从65纳米到45纳米 必须找到新的high-K材料 在45纳米以前,使用的二氧化硅做为制造晶体 管栅介质的材料, 通过压缩其厚度以维持栅级的 电容进而持续改善晶体管效能。 在65纳米制程工艺下，Intel公司已经将晶体管 二氧化硅栅介质的厚度压缩至与五层原子的厚 度相当。 65纳米已经达到了这种传统材料的极限。 寄生电容 寄生电容是在集成电
3、路内部，由于 ILD(Inter Layer Dielectrics，层间电介质 )的存在，导线之间就不可避免地存在电容， 称之为寄生电容（分布电容）。 随着工艺制程的提高，单位面积里的导 线越来越多，连线间的间距变小，连线间的 耦合电容变得显著，寄生电容产生的串绕和 延时增加等一系列问题更加突出。 寄生电容不仅影响芯片的速度，也对工 作可靠性构成严重威胁。 模拟集成电子学模拟集成电子学 第一节第一节 集成电路中的电容、电阻和电感集成电路中的电容、电阻和电感 二.电阻（Resistor） 参数 ： a.方块电阻R口 b.温度系数 d.绝对精度 e.相对精度 R口 ：方块电阻，取决于工艺参数 。
4、 c.电压系数 模拟集成电子学模拟集成电子学 阱电阻 ：方块电阻R口 ：可控参数 模拟集成电子学模拟集成电子学 （一）几种常见电阻 1.阱电阻 2.Poly电阻 4.寄生电阻 5.开关电容模拟电阻 6.MOS有源电阻 3.N+ 、P+ 扩散电阻 不同材料的方块电阻 (针对0.25umCMOS工艺) 材料 方块电阻(/) n+、 p+扩散层 50150 n+、 p+扩散层 （有硅化物 ） 35 N阱 1000 1500 多晶硅（Poly电阻） 150200 多晶硅（有硅化物 ） 45 金属 0.050.1 寄生电阻寄生电阻 由于集成电路的尺寸愈来愈小、电路愈来愈密， 同时工作频率愈来愈快，芯片内
5、电路的寄生电阻效应 和寄生电容效应也就愈来愈严重，进而使频率无法再 提升，这种情况称之为阻容延迟（又叫阻容迟滞，RC 延时,RC Delay），RC延时不仅阻碍频率成长，同时 也会增加电路的无用功的功耗。 寄生电阻的问题来自于线路本身的电阻性 ，如果可以用电阻值更低的材质，寄生电阻的 问题就可以缓解。 目前集成电路业界已经采用铜互联技术来 代替铝互连技术，由于铜比铝有更好的导电率 ，电阻较低，单纯采用铜来代替铝作为互联材 料可以降低RC 大约40%。 模拟集成电子学模拟集成电子学 第一节第一节 集成电路中的电容、电阻和电感集成电路中的电容、电阻和电感 5.开关电容模拟电阻 一个周期内传递的电荷
6、： 所以 ： 等效电阻 ： 时间常数 ： 模拟集成电子学模拟集成电子学 第一节第一节 集成电路中的电容、电阻和电感集成电路中的电容、电阻和电感 例 ： 特点 ： 1.电阻可以做的很大。 2.RC时间常数很精确。 f=100KHz，C=1pf，Req=? R R eq eq = 6.MOS有源电阻 用MOS管做电阻 模拟集成电子学模拟集成电子学 三.电感（Inductance ） 第一节第一节 集成电路中的电容、电阻和电感集成电路中的电容、电阻和电感 (一)无源电感(RF CMOS ) 特点 ： （1）电感量小，nH量级。 （2）Q值有限，通常10左右 。 (二) 有源等效电感 模拟集成电子学模
7、拟集成电子学 第一节第一节 集成电路中的电容、电阻和电感集成电路中的电容、电阻和电感 运放实现的有源等效电感 = (1) 模拟集成电子学模拟集成电子学 第一节第一节 集成电路中的电容、电阻和电感集成电路中的电容、电阻和电感 运放为理想，增益A无穷大，输入电流为0 = = 可得因为 所以 因为可得等效电感 模拟集成电子学模拟集成电子学 (2) 运放实现的有源等效电感 第一节第一节 集成电路中的电容、电阻和电感集成电路中的电容、电阻和电感 = 模拟集成电子学模拟集成电子学 运放为理想，增益A无穷大，输入电流为0 (1) (2) 由（2 ） 代入（1） 可得 所以 电感的Q值 ： 第一节第一节 集成
8、电路中的电容、电阻和电感集成电路中的电容、电阻和电感 模拟集成电子学模拟集成电子学 第二节第二节 集成电路中的二极管、集成电路中的二极管、 双极型晶体管、双极型晶体管、MOSFETMOSFET 模拟集成电子学模拟集成电子学 第二节第二节 集成电路中的二极管、双极型晶体管、集成电路中的二极管、双极型晶体管、MOSFETMOSFET 一.双极型晶体管 NPNPNP P衬底 N 外延双极工艺 在n阱CMOS工艺中的pnp 模拟集成电子学模拟集成电子学 第二节第二节 集成电路中的二极管、双极型晶体管、集成电路中的二极管、双极型晶体管、MOSFETMOSFET 二.MOSFET MOSFET N沟 P沟
9、 N型增强 N型耗尽 P型增强 P型耗尽 模拟集成电子学模拟集成电子学 第二节第二节 集成电路中的二极管、双极型晶体管、集成电路中的二极管、双极型晶体管、MOSFETMOSFET N沟P沟 N型增强N型耗尽P型增强P型耗尽 表示方法 以上是三端器件；集成电路中用通常是四端器件！ NMOS结构 的立体结构 PMOS管结构 目前，目前，SMICSMIC（中芯国际）的（中芯国际）的40nm40nm工工 艺，包括三种阈电压的艺，包括三种阈电压的MOSMOS管（即管（即1.1V1.1V 、1.8V1.8V和和2.5V2.5V），），1P10M1P10M，采用，采用Low-k Low-k (2.7)(2.
10、7)的铜互连。的铜互连。 模拟集成电子学模拟集成电子学 第三第三章章 集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型 模拟集成电子学模拟集成电子学 建立方法： 1.以器件的结构和工作原理为依据 。 2.把器件当成“黑盒子”而从其端 口出发建立模型特性。 模拟集成电子学模拟集成电子学 集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型 1.直流模型大信号范围内适合，也叫大 信号模型。 2.低频小信号模型小信号时适合。 3.高频模型加上各种寄生元件而生成 。 4.噪声模型。 分类： 模拟集成电子学模拟集成电子学 集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型 一.二极管模型 饱和电流 面积因子 模拟集成电子学模拟集成电
11、子学 集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型 二.双极晶体管模型 直流模型 晶体管传输饱和电流 交流小信号模型 （考虑各种电容的影响） 集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型 三.MOSFET模型 SPICE Model LEVEL=1 Shichman-Hodges(SH方程) model LEVEL=2 考虑了二阶效应 LEVEL=3 半经验模型 LEVEL=4 短沟道模型（BSIM3) 模拟集成电子学模拟集成电子学 集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型 LEVEL1(以NMOS为例) 1.直流大信号模型 （ 开启电压） （ ， ） （ ， ） （ ） 其中 模拟集成电子学模拟集成
12、电子学 集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型 2.交流模型 L为沟道长度 L为有效长度 L0栅对源、漏 覆盖长度 模拟集成电子学模拟集成电子学 集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型 欧姆区 ： 沟道中的n型反型层与衬底之间的电容 模拟集成电子学模拟集成电子学 集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型 饱和区 ： 模拟集成电子学模拟集成电子学 集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型 3.交流小信号模型 (低频、高频) 截止区 ： 欧姆区： 小信号时通常不工作在欧姆区。 饱和区 ： 强反型所需的栅压 体阈值参数 MOS和双极型器件性能比较 跨导 对MOS器件, 若Ic=1mA, 室温下k
13、T/q=0.026V, 则 对双极器件, 可以画出低频小信号等效电路 加上电容可以得到高频小信号等效电路 模拟集成电子学模拟集成电子学 集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型 4. MOS管的亚阈值区特性 应用：（1）低功耗时 （2）利用指数关系 （3）低速电路 模拟集成电子学模拟集成电子学 三.MOS工艺中两个重要问题 a）ESD（Electro-Static-Discharge） b）Latch-up effect 集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型 模拟集成电子学模拟集成电子学 a）集成电路中管脚的静电保护电路 集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型 模拟集成电子学模拟集成电子
14、学 b）闩锁效应 闩锁效应是由NMOS的有源区、P衬底 、N阱、PMOS的有源区构成的n-p-n-p结构 产生的，当其中一个三极管正偏时，就会 构成正反馈形成闩锁。 集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型 模拟集成电子学模拟集成电子学 = = 集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型 模拟集成电子学模拟集成电子学 为避免以上情形出现 ： 1.器件放置远。 2.采用深well。 3.加保护环。 4.阱和衬底浓度高，加大基区复合。 5.Silicon on Insulator(SOI) / Silicon on Sapphire(SOS) 工艺。 集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型 Institute of Robotics and Automatic Information SystemInstitute of Robotics and Automatic Information System SOI(Silicon-On-Insulator: 绝缘衬底上的硅)技术
