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1、集成电路设计基础,山东大学 信息学院 刘志军,2018/10/18,集成电路设计基础,2,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,2018/10/18,集成电路设计基础,3,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,2018/10/18,集成电路设计基础,4,6.1 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、
2、电感、互连线、传输线等。有源器件就是各类晶体管。,2018/10/18,集成电路设计基础,5,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。 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。,2018/10/18,集成电路设计基础,6, 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,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。,
3、2018/10/18,集成电路设计基础,7,薄层集成电阻器,合金薄膜电阻,多晶硅薄膜电阻,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。,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。,2018/10/18,集成电路设计基础,8,掺杂半导体电阻,薄层集成电阻器,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：,离子注入电阻,扩散电阻,对半导体进行热扩散掺杂而构成的电阻,离子
4、注入方式形成的电阻的阻值容易控制，精度较高。,2018/10/18,集成电路设计基础,9,薄层电阻的几何图形设计,常用的薄层电阻图形,2018/10/18,集成电路设计基础,10,薄层电阻图形尺寸的计算,方块电阻的几何图形,R,2018/10/18,集成电路设计基础,11,0.5-1.0m MOS工艺中作为导电层的典型的薄层电阻阻值,单位:/口,2018/10/18,集成电路设计基础,12,薄层电阻端头和拐角修正,不同电阻条宽和端头形状的端头修正因子,2018/10/18,集成电路设计基础,13,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：,在SPICE程序中,考虑温
5、度系数时，电阻的计算公式修正为：,2018/10/18,集成电路设计基础,14,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：,2018/10/18,集成电路设计基础,15, 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。 双极型晶体管和MOS晶体管可以担当有源电阻。,2018/10/18,集成电路设计基础,16,有源电阻,MOS有源电阻及其I-V曲线,直流电阻：,交流电阻：,RonVGS=V ,2018/10/18,集成电路设计基础,17,有源电阻,有源电阻的几种形式：
6、,饱和区的NMOS有源电阻示意图：,2018/10/18,集成电路设计基础,18, 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,2018/10/18,集成电路设计基础,19,平板电容,制作在砷化镓半绝缘衬底上的MIM电容结构：,考虑温度系数时，电容的计算式为：,2018/10/18,集成电路设计基础,20,平板电容,电容模型等效电路：,固有的自频率：,2018/10/18,集成电路设计基础,21,金属叉指结构电容,2018/10/18,集成电路设计基础,22,PN结电容,突变PN结
7、电容计算公式：,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。,2018/10/18,集成电路设计基础,23,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。,2018/10/18,集成电路设计基础,24,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,201
8、8/10/18,集成电路设计基础,25,MOS结构电容,MOS电容 (a)物理结构 (b)电容与Vgs的函数关系,2018/10/18,集成电路设计基础,26,MOS结构电容,MOS动态栅极电容与栅极电压的函数关系,2018/10/18,集成电路设计基础,27, 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,2018/10/18,集成电路设计基础,28,硅衬底上电感的射频双端口等效电路：,2018/10/18,集成电路设计基础,29,传输线电感,单端口电感的另一种方法是使用长度ll/4波长的短电传输线(微带或共面波导)或使用长度在l/4 ll/2范围内
9、的开路传输线。两种传输线类型的电感值计算 如下：,2018/10/18,集成电路设计基础,30, 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。,2018/10/18,集成电路设计基础,31,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。,2018/10/18,集成电路设计基础,32,互连 线设计中应
10、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。,2018/10/18,集成电路设计基础,33,深亚微米阶段的互连线技术,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。,2018/10/18,集成电路设计基础,34,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。以下讨论传输线。
11、,2018/10/18,集成电路设计基础,35, 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。,2018/10/18,集成电路设计基础,36,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。 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。,2018/10/18,集成电路设计基础,37,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: Co-Plane Wave Guide）型的传输线
12、。 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。,2018/10/18,集成电路设计基础,38,微 带 线,典型微带线的剖面图,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。,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。,2018/10/18,集成电路设计基础,39,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。,常规共面波导,2018/10/18,集成电路设计基础,40,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，
13、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。,2018/10/18,集成电路设计基础,41,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。,2018/10/18,集成电路设计基础,42,下次课：第7章 晶体管的SPICE模型, 7.1 引言 7.2 二极管及其SPICE模型 7.3 双极型晶体管及其SPICE模型 7.4 MOS场效应管及其SPICE模型 7.5 短沟道MOS场效应管BSIM3模型 7.6 模型参数提取技术,2018/10/18,集成电路设计基础,43,本节结束（143）,谢谢！,2018/10/18,集成电路设计基础,44,
