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1、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,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,第一节 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,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
2、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,第一节 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
3、.绝对精度,e.相对精度,R口 ：方块电阻，取决于工艺参数 。,c.电压系数,模拟集成电子学,阱电阻,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 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，芯片内电路
4、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,第一节 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：,所以：,等效电阻：,时间常数：,模拟集成电子学,第一节 集成电路中
5、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=?,Req =,6.MOS有源电阻 用MOS管做电阻,模拟集成电子学,三.电感（Inductance）,第一节 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,第一节 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,第一节 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,
6、因为,可得等效电感,模拟集成电子学,(2),运放实现的有源等效电感,第一节 集成电路中的电容、电阻和电感,=,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 集成电路中的电容、电阻和电感,模拟集成电子学,第二节 集成电路中的二极管、 双极型晶体管、MOSFET,模拟集成电子学,第二节 集成电路中的二极管、双极型晶体管、MOSFET,一.双极型晶体管,NPN,PNP,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,第二节 集成电路中的二极管、双极型晶体管、MOSFET,二.MOSFET,模拟集
7、成电子学,第二节 集成电路中的二极管、双极型晶体管、MOSFET,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，SMIC（中芯国际）的40nm工艺，包括三种阈电压的MOS管（即1.1V、1.8V和2.5V），1P10M，采用Low-k (2.7)的铜互连。,模拟集成电子学,第三章 集成电路中的器件模型,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,集成电路中的器件模型,1.直流模型大信号范围内适合，
8、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,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,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,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,集成电路中的器件模型,L
9、EVEL1(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,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,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,集成电路中的器件模型,饱和区：,模拟集成电子学,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kT/q=0.026V
10、, 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,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,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,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,模拟集成电子学,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,模拟集成电子学,=,=,集成电路中的器件模型,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,SOI(Silicon-On-Insulator: 绝缘衬底上的硅)技术,
